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針對模擬信號,再作一些詳細說明

硬件設計解析 ? 來源:愛搞研究的阿燦 ? 作者:愛搞研究的阿燦 ? 2023-03-29 15:01 ? 次閱讀

一、一般規(guī)則

??1.1 PCB板上預劃分數(shù)字、模擬、DAA信號布線區(qū)域。
??1.2 數(shù)字、模擬元器件及相應走線盡量分開并放置於各自的布線區(qū)域內。
??1.3 高速數(shù)字信號走線盡量短。
??1.4 敏感模擬信號走線盡量短。
??1.5 合理分配電源和地。
??1.6 DGND、AGND、實地分開。
??1.7 電源及臨界信號走線使用寬線。
??1.8 數(shù)字電路放置于并行總線/串DTE接口附近,DAA電路放置于接口附近。

二、元器件放置

??2.1 在系統(tǒng)電路原理圖中:
??a) 劃分數(shù)字、模擬、DAA電路及其相關電路。
??b) 在各個電路中劃分數(shù)字、模擬、混合數(shù)字/模擬元器件。
??c) 注意各IC芯片電源和信號引腳的定位。
??2.2 初步劃分數(shù)字、模擬、DAA電路在PCB板上的布線區(qū)域(一般比例2/1/1),數(shù)字、模擬元器件及其相應走線盡量遠離并限定在各自的布線區(qū)域內。
??Note:當DAA電路占較大比重時,會有較多控制/狀態(tài)信號走線穿越其布線區(qū)域,可根據(jù)當?shù)匾?guī)則限定做調整,如元器件間距、高壓抑制、電流限制等。
??2.3 初步劃分完畢后,從Connector和Jack開始放置元器件:
??a) Connector和Jack周圍留出插件的位置。
??b) 元器件周圍留出電源和地走線的空間。
??c) Socket周圍留出相應插件的位置。
??2.4 首先放置混合型元器件(如Modem器件、A/D、D/A轉換芯片等):
??a) 確定元器件放置方向,盡量使數(shù)字信號及模擬信號引腳朝向各自布線區(qū)域。
??b) 將元器件放置在數(shù)字和模擬信號布線區(qū)域的交界處。
??2.5 放置所有的模擬器件:
??a) 放置模擬電路元器件,包括DAA電路。
??b) 模擬器件相互靠近且放置在PCB上包含TXA1、TXA2、RIN、VC、VREF信號走線的一面。
??c) TXA1、TXA2、RIN、VC、VREF信號走線周圍避免放置高噪聲元器件。
??d) 對於串行DTE模塊,DTE EIA/TIA-232-E系列接口信號的接收/驅動器盡量靠近Connector并遠離高頻時鐘信號走線,以減少/避免每條線上增加的噪聲抑制器件,如阻流圈和電容等。
??2.6 放置數(shù)字元器件及去耦電容:
??a) 數(shù)字元器件集中放置以減少走線長度。
??b) 在IC的電源/地間放置0.1uF的去耦電容,連接走線盡量短以減小EMI。
??c) 對并行總線模塊,元器件緊靠。
Connector邊緣放置,以符合應用總線接口標準,如ISA總線走線長度限定在2.5in。
??d) 對串行DTE模塊,接口電路靠近Connector。
??e) 晶振電路盡量靠近其驅動器件。
??2.7 各區(qū)域的地線,通常用0 Ohm電阻或bead在一點或多點相連。

三、信號走線

??3.1 Modem信號走線中,易產生噪聲的信號線和易受干擾的信號線盡量遠離,如無法避免時要用中性信號線隔離。
????3.2 數(shù)字信號走線盡量放置在數(shù)字信號布線區(qū)域內。
????模擬信號走線盡量放置在模擬信號布線區(qū)域內;(可預先放置隔離走線加以限定,以防走線布出布線區(qū)域)。
??數(shù)字信號走線和模擬信號走線垂直以減小交叉耦合
??3.3 使用隔離走線(通常為地)將模擬信號走線限定在模擬信號布線區(qū)域。
??a) 模擬區(qū)隔離地走線環(huán)繞模擬信號布線區(qū)域布在PCB板兩面,線寬50-100mil。
??b) 數(shù)字區(qū)隔離地走線環(huán)繞數(shù)字信號布線區(qū)域布在PCB板兩面,線寬50-100mil,其中一面PCB板邊應布200mil寬度。
??3.4 并行總線接口信號走線線寬>10mil(一般為12-15mil),如/HCS、/HRD、/HWT、/RESET。
??3.5 模擬信號走線線寬>10mil(一般為12-15mil),如MICM、MICV、SPKV、VC、VREF、TXA1、TXA2、RXA、TELIN、TELOUT。
??3.6 所有其它信號走線盡量寬,線寬>5mil(一般為 10mil),元器件間走線盡量短(放置器件時應預先考慮)。
??3.7 旁路電容到相應IC的走線線寬>25mil,并盡量避免使用過孔。
??3.8 通過不同區(qū)域的信號線(如典型的低速控制/狀態(tài)信號)應在一點(首選)或兩點通過隔離地線。如果走線只位於一面, 隔離地線可走到PCB的另一面以跳過信號走線而保持連續(xù)。
??3.9 高頻信號走線避免使用90度角彎轉,應使用平滑圓弧或45度角。
??3.10 高頻信號走線應減少使用過孔連接。
??3.11 所有信號走線遠離晶振電路。
??3.12 對高頻信號走線應采用單一連續(xù)走線,避免出現(xiàn)從一點延伸出幾段走線的情況。
??3.13 DAA電路中,穿孔周圍(所有層面)留出至少60mil的空間。
??3.14 清除地線環(huán)路,以防意外電流回饋影響電源。

四、電源

??4.1 確定電源連接關系。
??4.2 數(shù)字信號布線區(qū)域中,用10uF電解電容鉭電容與0.1uF瓷片電容并聯(lián)后接在電源/地之間.在PCB板電源入口端和最遠端各放置一處,以防電源尖峰脈沖引發(fā)的噪聲干擾。
??4.3 對雙面板,在用電電路相同層面中,用兩邊線寬為 200mil的電源走線環(huán)繞該電路。(另一面須用數(shù)字地做相同處理)。
??4.4 一般地,先布電源走線,再布信號走線。

五、地

??5.1雙面板中,數(shù)字和模擬元器件(除DAA)周圍及下方未使用之區(qū)域用數(shù)字地或模擬地區(qū)域填充,各層面同類地區(qū)域連接在一起,不同層面同類地區(qū)域通過多個過孔相連:Modem DGND引腳接至數(shù)字地區(qū)域,AGND引腳接至模擬地區(qū)域;數(shù)字地區(qū)域和模擬地區(qū)域用一條直的空隙隔開。
??5.2 四層板中,使用數(shù)字和模擬地區(qū)域覆蓋數(shù)字和模擬元器件(除DAA);Modem DGND引腳接至數(shù)字地區(qū)域,AGND引腳接至模擬地區(qū)域;數(shù)字地區(qū)域和模擬地區(qū)域用一條直的空隙隔開。
??5.3 如設計中須EMI過濾器,應在接口插座端預留一定空間,絕大多數(shù)EMI器件(Bead/電容)均可放置在該區(qū)域;未使用之區(qū)域用地區(qū)域填充,如有屏蔽外殼也須與之相連。
??5.4 每個功能模塊電源應分開。功能模塊可分為:并行總線接口、顯示、數(shù)字電路(SRAM、EPROM、Modem)和DAA等,每個功能模塊的電源/地只能在電源/地的源點相連。
??5.5 對串行DTE模塊,使用去耦電容減少電源耦合,對電話線也可做相同處理。
??5.6 地線通過一點相連,如可能,使用Bead;如抑制EMI需要,允許地線在其它地方相連。
??5.7 所有地線走線盡量寬,25-50mil。
??5.8 所有IC電源/地間的電容走線盡量短,并不要使用過孔。

六、晶振電路

??6.1 所有連到晶振輸入/輸出端(如XTLI、XTLO)的走線盡量短,以減少噪聲干擾及分布電容對Crystal的影響。XTLO走線盡量短,且彎轉角度不小於45度。(因XTLO連接至上升時間快,大電流之驅動器)。
??6.2 雙面板中沒有地線層,晶振電容地線應使用盡量寬的短線連接至器件上離晶振最近的DGND引腳,且盡量減少過孔。
??6.3 如可能,晶振外殼接地。
??6.4 在XTLO引腳與晶振/電容節(jié)點處接一個100 Ohm電阻。
??6.5 晶振電容的地直接連接至 Modem的GND引腳,不要使用地線區(qū)域或地線走線來連接電容和Modem的GND引腳。

七、使用EIA/TIA-232接口的獨立Modem設計

??7.1 使用金屬外殼。 如果須用塑料外殼,應在內部貼金屬箔片或噴導電物質以減小EMI。
??7.2 各電源線上放置相同模式的Choke。
??7.3 元器件放置在一起并緊靠EIA/TIA-232接口的Connector。
??7.4 所有EIA/TIA-232器件從電源源點單獨連接電源/地。電源/地的源點應為板上電源輸入端或調壓芯片的輸出端。
??7.5 EIA/TIA-232電纜信號地接至數(shù)字地。

八、針對模擬信號,再作一些詳細說明:

??(1)為了獲得具有良好穩(wěn)定性的反饋電路,通常要求在反饋環(huán)外面使用一個小電阻或扼流圈給容性負載提供一個緩沖。
??(2)積分反饋電路通常需要一個小電阻(約 560 歐)與每個大于 10pF 的積分電容串聯(lián)。
??(3)在反饋環(huán)外不要使用主動電路進行濾波或控制 EMCRF 帶寬,而只能使用被動元件(最好為 RC 電路)。僅僅在運放的開環(huán)增益比閉環(huán)增益大的頻率下,積分反饋方法才有效。在更高的頻率下,積分電路不能控制頻率響應。
??(4)為了獲得一個穩(wěn)定的線性電路,所有連接必須使用被動濾波器或其他抑制方法(如光電隔離)進行保護。
??(5)使用 EMC 濾波器,并且與 IC 相關的濾波器都應該和本地的 0V 參考平面連接。
??(6)在外部電纜的連接處應該放置輸入輸出濾波器,任何在沒有屏蔽系統(tǒng)內部的導線連接處都需要濾波,因為存在天線效應。另外,在具有數(shù)字信號處理或開關模式的變換器的屏蔽系統(tǒng)內部的導線連接處也需要濾波。
??(7)在模擬 IC 的電源和地參考引腳需要高質量的 RF 去耦,這一點與數(shù)字 IC 一樣。但是模擬 IC 通常需要低頻的電源去耦,因為模擬元件的電源噪聲抑制比(PSRR)在高于 1KHz 后增加很少。在每個運放、比較器和數(shù)據(jù)轉換器的模擬電源走線上都應該使用 RC 或 LC 濾波。電源濾波器的拐角頻率應該對器件的 PSRR 拐角頻率和斜率進行補償,從而在整個工作頻率范圍內獲得所期望的 PSRR 。
??(8)對于高速模擬信號,根據(jù)其連接長度和通信的最高頻率,傳輸線技術是必需的。即使是低頻信號,使用傳輸線技術也可以改善其抗干擾性,但是沒有正確匹配的傳輸線將會產生天線效應。
??(9)避免使用高阻抗的輸入或輸出,它們對于電場是非常敏感的。
??(10)由于大部分的輻射是由共模電壓和電流產生的,并且因為大部分環(huán)境的電磁干擾都是共模問題產生的,因此在模擬電路中使用平衡的發(fā)送和接收(差分模式)技術將具有很好的 EMC 效果,而且可以減少串擾。平衡電路(差分電路)驅動不會使用 0V 參考系統(tǒng)作為返回電流回路,因此可以避免大的電流環(huán)路,從而減少 RF 輻射。
??(11)比較器必須具有滯后(正反饋),以防止因為噪聲和干擾而產生的錯誤的輸出變換,也可以防止在斷路點產生振蕩。不要使用比需要速度更快的比較器(將 dV/dt 保持在滿足要求的范圍內,盡可能低)。
??(12)有些模擬 IC 本身對射頻場特別敏感,因此常常需要使用一個安裝在 PCB 上,并且與 PCB 的地平面相連接的小金屬屏蔽盒,對這樣的模擬元件進行屏蔽。注意,要保證其散熱條件。


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