混合信號 PCB 設(shè)計(jì)：原理圖級設(shè)計(jì)

在我關(guān)于混合信號 PCB 設(shè)計(jì)的第一篇專欄文章中，我們解決了這個問題：它是什么?在我的第二篇專欄中——是什么讓它變得困難(呃)?— 我們考慮了是什么讓混合信號 PCB 設(shè)計(jì)比純模擬或純數(shù)字 PCB 設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。

所以，既然我們已經(jīng)界定了這個話題，我們想談?wù)勎覀冏鳛樵O(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的原理圖階段可以做的一些事情，以便更清楚地向以后可能繼承這項(xiàng)工作的人傳達(dá)我們的設(shè)計(jì)意圖在產(chǎn)品的生命周期中。

原理圖的目的...

為了真正理解我們在這篇博文中所表達(dá)的意思，我們都必須(至少為了這篇博文的目的)對原理圖的目的有一個共同的理解。或者，也許更好的表達(dá)方式是：作為設(shè)計(jì)師，我們希望 原理圖成為什么，并在記錄我們的設(shè)計(jì)意圖時為我們做什么?

傳達(dá)功能：到目前為止，原理圖應(yīng)該做的最重要的事情是清楚地傳達(dá)您設(shè)計(jì)的功能。如果您不能拿起原理圖并知道(在中等水平上)設(shè)計(jì)應(yīng)該做什么以及應(yīng)該如何做，那么您還沒有真正完成設(shè)計(jì)師的工作。

一個很好的方法是使用第一張框圖，該框圖顯示了您的設(shè)計(jì)的各個部分如何從基本連接級別交互在一起。下面我們從 Terasic 開發(fā)板 DE0-Nano-SoC 中看到了一個很好的例子。

觀察如何有足夠的細(xì)節(jié)讓你知道事物是如何連接的，板上有什么，以及一切是如何連接的。這是一個值得學(xué)習(xí)的非常好的例子。

傳達(dá)獨(dú)特的信息或特定于設(shè)計(jì)的特殊信息：我們這里的意思是您必須 在原理圖中傳達(dá)特定于設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。我們可能都熟悉的一個很好的例子是微處理器上的多種功能。

換句話說，如果您將微處理器的 GPIO 引腳連接為 GPIO，請相應(yīng)地命名連接!如果您使用 GPIO 引腳作為 I2C 總線的一部分，請適當(dāng)?shù)孛B接!例如，可能是“I2C-SDA”，而不僅僅是“GPIO16”。

通過放入每個引腳的所有可能功能，可以從原理圖符號創(chuàng)建階段簡化其中一些操作。是的，這需要時間，但它也能讓原理圖更清晰!

另一個很好的方法是用額外的文本、圖片和圖表來豐富您的原理圖!將關(guān)鍵信息添加到您的原理圖始終是一件好事，即使這意味著要使用額外的一張(或兩張或三張)紙來這樣做。

以下是我們自己的示意圖中的幾個示例。在一個示例中，我們展示了以太網(wǎng) PHY 所偏向的配置模式;另一方面，我們展示了多輸入范圍模擬前端所需的開關(guān)狀態(tài)。通過將這些信息放在原理圖上，您將節(jié)省您(和您的同事)的時間，并讓 閱讀它的任何人都清楚地知道意圖。

混合信號原理圖信息……

好的，但這對混合信號 PCB 設(shè)計(jì)意味著什么?傳達(dá)什么樣的信息很重要，尤其是在混合信號設(shè)計(jì)中?我們很高興你問...

多個 GND/返回網(wǎng)絡(luò)：有時作為設(shè)計(jì)師，您會在設(shè)計(jì)中使用多個 GND/返回網(wǎng)絡(luò)。也許您有隔離電路、靈敏的熱電偶調(diào)節(jié)電路、高功率開關(guān)模式電源回路或局部 PLL 電源和回路網(wǎng)絡(luò)。

如果這是您發(fā)現(xiàn)自己在設(shè)計(jì)中所做的事情，那么讓您自己(以及我們其他人!)輕松一點(diǎn)，并適當(dāng)?shù)孛@些返回網(wǎng)絡(luò)!使用不同的符號是否更清楚?也許。使用不同的符號和唯一名稱(如“PLL-RTN”、“PGND”、“AGND”或“ISO-GND”)是否更清楚?絕對地!

但這有什么意義呢?所有這些額外的工作打字、命名網(wǎng)絡(luò)……誰有時間?問題是大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師都會欣賞這一點(diǎn)——它告訴他們返回平面被隔離或切斷是有原因的，而且是有充分理由的。它告訴將要使用此原理圖的工程師您正在關(guān)注細(xì)節(jié)。而且，它會 傳達(dá) 這樣一個事實(shí)，即使用多個返回網(wǎng)是有原因的，而不僅僅是因?yàn)槟粫r興起。它表明這些網(wǎng)絡(luò)旨在提供特定功能，并幫助分離電路返回路徑，這在混合信號設(shè)計(jì)中非常重要。

來自電源網(wǎng)絡(luò)的多個分支：由于您可能經(jīng)常在設(shè)計(jì)中使用多個電源 返回 路徑，因此您可能還必須使用多個電源 路徑 。有時，這些路徑并不處于不同的電壓電平，而可能只是與電路上的大容量電源高頻隔離。一個很好的例子就是高度集成的 DSP，它具有內(nèi)部 ADC 和 DAC 設(shè)備。

您可能希望通過使用相同的 VCC 電源作為這些轉(zhuǎn)換器的參考電壓來節(jié)省電路板空間和成本——這是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常做的事情——但如果您沒有清楚地命名這些 VCC 網(wǎng)絡(luò)，可能會造成混淆。

例如，請考慮以下內(nèi)容：

· 2V5

· 2V5-1

· 2V5-2

· 2V5-3

當(dāng)然，當(dāng)您最初捕獲原理圖時，您可能能夠以這種方式跟蹤事物，但它可能很快就會失控。稍后，當(dāng)您進(jìn)行 PCB 布局時，請忘掉它 — 您將原地打轉(zhuǎn)，試圖跟蹤命名“慣例”。

現(xiàn)在將前面的示例與以下示例進(jìn)行對比：

· 2V5

· 2V5-ADC-VREF

· 2V5-DAC-VREF

· 2V5-鎖相環(huán)

我們將留給您來決定哪個更清晰， 更有效地 傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖。

去耦電容器：有時在原理圖上，很難在每個引腳上放置電容器，即使這正是您想要在布局上完成的。在這里使用一些簡單的文本注釋可以產(chǎn)生很大的不同，并且對任何進(jìn)行 PCB 布局的人都有很大的幫助。它可以簡單地說：

在每個 VCC 引腳附近放置 (1) 10uF 和 (1) 0.1uF

…靠近一組 40 個電容器，用于 FPGA 的 20 個引腳。

混合信號設(shè)計(jì)中的去耦可能很棘手，您可以越清楚地 傳達(dá) 您辛辛苦苦達(dá)成的設(shè)計(jì)意圖，最終產(chǎn)品就會越好。將原理圖上的注釋與唯一的網(wǎng)絡(luò)名稱和返回路徑相結(jié)合，可以大大有助于使設(shè)計(jì)中的所有電路保持良好狀態(tài)并按您希望的方式工作。

模擬電路筆記：這個相當(dāng)容易做，并且可以在原理圖級別添加很多內(nèi)容。例如，如果您花費(fèi)數(shù)小時微調(diào)運(yùn)算放大器濾波器，則可以在原理圖的適當(dāng)位置添加一些注釋，以便更容易理解功能，而無需啟動 SPICE 仿真器。一些模擬濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很復(fù)雜，除非您生活在那個世界中，否則大多數(shù)工程師都不會將其放在大腦的最前沿。

簡單地寫一些像……

'三階巴特沃斯低通濾波器，500kHz -3dB'

…意味著初級工程師和其他可能不是模擬大師的人可以看著這個模塊說：“好吧，我可能不知道如何設(shè)計(jì)其中一個，但至少我知道它應(yīng)該做什么?！? 僅擁有這一級別的可用信息比我們許多人意識到的更重要，這也是我們通常認(rèn)為理所當(dāng)然的事情。

即使只是編寫電路的增益和預(yù)期的輸出范圍，對于可能沒有很多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的軟件工程師或技術(shù)人員進(jìn)行的調(diào)試來說也是非常寶貴的。我們發(fā)現(xiàn)它對我們自己的設(shè)計(jì)很有用。有時發(fā)生的事情太多，以至于您忘記了一些細(xì)節(jié);沒關(guān)系，但是如果你把事情寫下來，你將來會避免很多痛苦。

總結(jié)一下

我相信現(xiàn)在您已經(jīng)開始明白了：您在原理圖中包含的有用信息越多越好。由于多種原因，此信息可能是有利的。例如，它可以幫助軟件工程師了解您希望芯片在啟動時如何偏置，或者它可以告訴他們 I2C 設(shè)備的地址。執(zhí)行工作臺調(diào)試的技術(shù)人員可能會對它感興趣，告訴他們您希望某些引腳上的輸出電壓范圍是什么，某些組件應(yīng)該物理放置在哪里，或者電路塊應(yīng)該做什么。

所有這些都適用于任何設(shè)計(jì)，但由于野獸的復(fù)雜性，它在混合信號設(shè)計(jì)中變得比以往任何時候都更加重要!多條供電路徑和返回路徑;集成 ASIC、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和電源轉(zhuǎn)換器;清單不勝枚舉。但是，您可以 在原理圖中清楚地傳達(dá)的信息越多 ，隨著您的設(shè)計(jì)從想法到產(chǎn)品的進(jìn)展，每個人的生活就會越輕松。