PCB布局布線規(guī)則介紹

當今的信號處理系統(tǒng)普遍需要使用混合信號器件，例如為了處理寬動態(tài)范圍的模擬信號，高速高性能的ADC信號顯得更加重要。為了在惡劣的數(shù)字環(huán)境中保持模擬信號寬動態(tài)范圍和低噪聲，就要熟知PCB布線技巧以進行良好的高速電路設(shè)計。本文將為您闡述使用高速轉(zhuǎn)換器時，必須遵循的那些重要PCB布局布線規(guī)則。

AGND和DGND接地層應(yīng)當分離嗎？

簡單回答是視情況而定，詳細回答則是通常不分離。因為在大多數(shù)情況下，分離接地層只會增加返回電流的電感，它所帶來的壞處大于好處。從公式V = L（di/dt）可以看出，隨著電感增加，電壓噪聲會提高。而隨著開關(guān)電流增大（因為轉(zhuǎn)換器采樣速率提高），電壓噪聲同樣會提高。因此，接地層應(yīng)當連在一起。

一個例子是，在一些應(yīng)用中，為了符合傳統(tǒng)設(shè)計要求，必須將臟亂的總線電源或數(shù)字電路放在某些區(qū)域，同時還受尺寸限制的影響，使得電路板無法實現(xiàn)良好的布局分割，在這種情況下，分離接地層是實現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵。然而，為使整體設(shè)計有效，必須在電路板的某個地方通過一個電橋或連接點將這些接地層連在一起。因此，應(yīng)將連接點均勻地分布在分離的接地層上。最終，PCB上往往會有一個連接點成為返回電流通過而不會導致性能降低的最佳位置。此連接點通常位于轉(zhuǎn)換器附近或下方。

設(shè)計電源層時，應(yīng)使用這些層可以使用的所有銅線。如果可能，請勿讓這些層共用走線，因為額外的走線和過孔會將電源層分割成較小的碎塊，從而迅速損害電源層。由此產(chǎn)生的稀疏電源層可以將電流路徑擠壓到最需要這些路徑的地方，即轉(zhuǎn)換器的電源引腳。擠壓過孔與走線之間的電流會提高電阻，導致轉(zhuǎn)換器的電源引腳發(fā)生輕微的壓降。

最后，電源層的放置至關(guān)重要，切勿將高噪聲的數(shù)字電源層疊放在模擬電源層上，否則二者雖然位于不同的層，但仍有可能耦合。為將系統(tǒng)性能下降的風險降至最低，設(shè)計中應(yīng)盡可能將這些類型的層隔開而不是疊加在一起。

PCB的輸電系統(tǒng)（PDS）設(shè)計能忽略嗎？

PDS的設(shè)計目標是將響應(yīng)電源電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。所有電路都需要電流，有些電路需求量較大，有些電路則需要以較快的速率提供電流。采用充分去耦的低阻抗電源層或接地層以及良好的PCB層疊，可以將因電路的電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。例如，如果設(shè)計的開關(guān)電流為1A，PDS的阻抗為10mΩ，則最大電壓紋波為10mV。

首先，應(yīng)當設(shè)計一個支持較大層電容的PCB層疊結(jié)構(gòu)。例如，六層堆疊可能包含頂部信號層、第一接地層、第一電源層、第二電源層、第二接地層和底部信號層。規(guī)定第一接地層和第一電源層在層疊結(jié)構(gòu)中彼此靠近，這兩層間距為2到3密爾，形成一個固有層電容。此電容的最大優(yōu)點是它是免費的，只需在PCB制造筆記中注明。如果必須分割電源層，同一層上有多個VDD電源軌，則應(yīng)使用盡可能大的電源層。不要留下空洞，同時也應(yīng)注意敏感電路。這將使該VDD層的電容最大。如果設(shè)計允許存在額外的層，則應(yīng)將兩個額外的接地層放在第一和第二電源層之間。在核心間距同樣為2到3密爾的情況下，此時層疊結(jié)構(gòu)的固有電容將加倍。

對于理想的PCB層疊，電源層起始入口點和DUT周圍均應(yīng)使用去耦電容，這將確保PDS阻抗在整個頻率范圍內(nèi)均較低。使用若干0.001μF至100μF的電容有助于覆蓋該范圍。沒有必要各處都配置電容；電容正對著DUT對接會破壞所有的制造規(guī)則。如果需要這種嚴厲的措施，則說明電路存在其它問題。

裸露焊盤（E-Pad）的重要性

這是一個容易忽視的方面，但它對于實現(xiàn)PCB設(shè)計的最佳性能和散熱至關(guān)重要。

裸露焊盤（引腳0）指的是大多數(shù)現(xiàn)代高速IC下方的一個焊盤，它是一個重要的連接，芯片的所有內(nèi)部接地都是通過它連接到器件下方的中心點。裸露焊盤的存在使許多轉(zhuǎn)換器和放大器可以省去接地引腳。關(guān)鍵是將該焊盤焊接到PCB時，要形成穩(wěn)定可靠的電氣連接和散熱連接，否則系統(tǒng)可能會遭到嚴重破壞。

通過以下三個步驟，可以實現(xiàn)裸露焊盤的最佳電氣和散熱連接。首先，在可能的情況下，應(yīng)在各PCB層上復制裸露焊盤，這將為所有接地提供較厚的散熱連接，從而快速散熱，對于高功耗器件尤其重要。在電氣方面，這將為所有接地層提供良好的等電位連接。在底層上復制裸露焊盤時，它可以用作去耦接地點和安裝散熱器的地方。

其次，將裸露焊盤分割成多個相同的部分。以棋盤狀最佳，可以通過絲網(wǎng)交叉格柵或焊罩來實現(xiàn)。在回流焊組裝過程中，無法決定焊膏如何流動以建立器件與PCB的連接，因此連接可能存在，但分布不均，更糟糕的情況是連接很小并且位于拐角處。將裸露焊盤分割為若干較小的部分可以使各個區(qū)域都有一個連接點，從而確保器件與PCB之間形成可靠、均勻的連接。

最后，應(yīng)當確保各部分都有過孔連接到地。各區(qū)域通常都很大，足以放置多個過孔。組裝之前，務(wù)必用焊膏或環(huán)氧樹脂填充每個過孔，這一步非常重要，這樣才能確保裸露焊盤焊膏不會回流到過孔空洞中，否則會降低正確連接的機率。

PCB中各層面之間交叉耦合的問題

在PCB設(shè)計中，一些高速轉(zhuǎn)換器的布局布線不可避免地會出現(xiàn)一個電路層與另一個交疊的情況。某些情況下，敏感的模擬層（電源、接地或信號）可能就在高噪聲數(shù)字層的正上方。大多數(shù)設(shè)計人員認為這無關(guān)緊要，因為這些層面位于不同的層。是否如此呢？我們來看一個簡單的測試。

選擇相鄰層中的一層，并在該層面注入信號，然后，將交叉耦合層連接到一個頻譜分析儀。可以看到，耦合到相鄰層的信號非常多。即使間距40密爾，某種意義上相鄰 層仍會形成一個電容，因此在某些頻率下，信號仍會從一個層耦合到另一個層。

假設(shè)某層上的高噪聲數(shù)字部分具有高速開關(guān)的1V信號，層間隔離為60dB時，非受驅(qū)層將看到從受驅(qū)層耦合而來的1mV信號。對于2Vp-p滿量程擺幅的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）而言，這意味著2LSB（最低有效位）的耦合。對于特定的系統(tǒng)，這可能不成問題， 但應(yīng)注意，當分辨率從12位提高到14位時，靈敏度會提高四倍，因而誤差將增大到8LSB。

忽略交叉面/交叉層耦合可能不會導致系統(tǒng)設(shè)計失敗，或者削弱設(shè)計，但必須保持警惕，因為兩個層面之間的耦合可能比想象的要多。

在目標頻譜內(nèi)發(fā)現(xiàn)噪聲雜散耦合時，應(yīng)注意這一點。有時候，布局布線會導致非預期 信號或?qū)咏徊骜詈现敛煌瑢印Ｕ{(diào)試敏感系統(tǒng)時請記住這一點：問題可能出在下面一層。