高速PCB设计新手 入门及进阶教程(下).doc

高速PCB设计新手入门及进阶教程(下)


高速PCB 设计新手入门及进阶教程(下)
高速PCB 设计指南之六----混合信号电路板的设计准则
第一篇混合信号电路板的设计准则
模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压。数字电路的工作依赖在接收端根据预先定义的
电压电平或门限对高电平或低电平的检测,它相当于判断逻辑状态的“真”或“假”。在数
字电路的高电平和低电平之间,存在“灰色”区域,在此区域数字电路有时表现出模拟效应,
例如当从低电平向高电平状态跳变时,如果数字信号跳变的速度足够快,则将产生过冲和
回铃反射现象。
对于现代板极设计来说,混合信号PCB 的概念比较模糊,这是因为即使在纯粹的“数字”器
件中,仍然存在模拟电路和模拟效应。因此,在设计初期,为了可靠实现严格的时序分配,
必须对模拟效应进行仿真。实际上,除了通信产品必须具备无故障持续工作数年的可靠性之
外,大量生产的低成本/高性能消费类产品中特别需要对模拟效应进行仿真。
现代混合信号PCB 设计的另一个难点是不同数字逻辑的器件越来越多,比如GTL、LVTTL、
LVCMOS 及LVDS 逻辑,每种逻辑电路的逻辑门限和电压摆幅都不同,但是,这些不同逻辑门
限和电压摆幅的电路必须共同设计在一块PCB 上。在此,通过透彻分析高密度、高性能、混
合信号PCB 的布局和布线设计,你可以掌握成功策略和技术。
一、混合信号电路布线基础
当数字和模拟电路在同一块板卡上共享相同的元件时,电路的布局及布线必须讲究方法。图
1 所示的矩阵对混合信号PCB 的设计规划有帮助。只有揭示数字和模拟电路的特性,才能在
实际布局和布线中达到要求的PCB 设计目标。
图1:模拟和数字电路:混合信号设计的两个方面
在混合信号PCB 设计中,对电源走线有特别的要求并且要求模拟噪声和数字电路噪声相互隔
离以避免噪声耦合,这样一来布局和布线的复杂性就增加了。对电源传输线的特殊需求以及
隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求,使混合信号PCB 的布局和布线的复杂性进一步增
加。
如果将A/D 转换器中模拟放大器的电源和A/D 转换器的数字电源接在一起,则很有可能造成
模拟部分和数字部分电路的相互影响。或许,由于输入/输出连接器位置的缘故,布局方案
必须把数字和模拟电路的布线混合在一起。
在布局和布线之前,工程师要弄清楚布局和布线方案的基本弱点。即使存在虚假判断,大部
分工程师倾向利用布局和布线信息来识别潜在的电气影响。
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二、现代混合信号PCB 的布局和布线
下面将通过OC48 接口卡的设计来阐述混合信号PCB 布局和布线的技术。OC48 代表光载波标
准48, 串行光通讯,它是现代通讯设备中高容量光通讯标准的一种。OC48
接口卡包含若干典型混合信号PCB 的布局和布线问题,其布局和布线过程将指明解决混合信
号PCB 布局方案的顺序和步骤。
图2:OC48 接口卡的逻辑
如图 2 所示,OC48 卡包含一个实现光信号和模拟电信号双向转换的光收发器。模拟信号输
入或输出数字信号处理器,DSP 将这些模拟信号转换为数字逻辑电平,从而可与微处理器、
可编程门阵列以及在OC48 卡上的DSP 和微处理器的系统接口电路相连接。独立的锁相环、
电源滤波器和本地参考电压源也集成在一起。
其中,微处理器是一个多电源器件,主电源为2V, 的I/O 信号电源由板上其他数字器
件共享。独立数字时钟源为OC48 I/O、微处理器和系统I/O 提供时钟。
经过检查不同功能电路块的布局和布线要求,初步建议采用12 层板,如图3 所示。微带和
带状线层的配置可以安全地减少邻近走线层的耦合并改善阻抗控制。第一层和第二层之间设
置接地层,将把敏感的模拟参考源、CPU 核和PLL 滤波器电源的布线与在第一层的微处理器
和DSP 器件相隔离。电源和接地层总是成对出现的,与OC48 电源层所做的
一样。这样将降低电源和地之间的阻抗,从而减少电源信号上的噪声。
要避免在邻近电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线,否则,电源信号的噪声将耦合
到敏感的模拟信号之中。
要根据数字信号布线的需要,仔细考虑利用电源和模拟接地层的开口 split ,特别是在混
合信号器件的输入和输出端。在邻近信号层穿过一开口走线会造成阻抗不连续和不良的传输
线回路。这些都会造成信号质量、时序和EMI 问题。
有时增加若干接地层,或在一个器件下面为本地电源层或接地层使用若干外围层,就可以取
消开口并避免出现上述问题,在OC48 接口卡上就采用了多个接地层。保持开口层和布线层
位置的层叠