模擬電路的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則

盡管構(gòu)建模擬系統(tǒng)看起來像是回到了真空管時(shí)代，但模擬組件和電路不會(huì)很快消失，支持它們的 PCB 也不會(huì)消失。純模擬電路板和混合信號(hào) PCB 在許多產(chǎn)品中仍然很重要，并將繼續(xù)在一系列頻率下運(yùn)行。模擬 PCB設(shè)計(jì)入門在從哪里開始和考慮什么方面可能很困難，但我們希望這些指南將幫助您了解可以采取哪些步驟來確保成功。

有時(shí)，最好根據(jù)共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)來考慮模擬PCB和混合信號(hào) PCB。模擬電路和PCB需要特別小心，因?yàn)槟繕?biāo)通常是路由信號(hào)并將它們輸入到組件/電路中，同時(shí)確保低噪聲操作。然后，電路板運(yùn)行的頻率范圍將決定需要采取的一些措施，以確保設(shè)計(jì)按預(yù)期運(yùn)行。在本指南中，我們將概述您應(yīng)該考慮的一些標(biāo)準(zhǔn)模擬 PCB設(shè)計(jì)和布局指南。我們將嘗試覆蓋從低 kHz 頻率到高毫米波頻率。

模擬 PCB 層堆疊

設(shè)計(jì)好電路后，層堆棧就是設(shè)計(jì)的第一站。模擬層堆棧通常遵循用于構(gòu)建數(shù)字 PCB 堆棧的相同想法。注意以下幾點(diǎn)：

電源和接地：計(jì)劃在 PCB布局中傳輸關(guān)鍵信號(hào)的走線周圍使用大量接地，并相應(yīng)地規(guī)劃電源軌布線。較新的設(shè)計(jì)人員可能習(xí)慣于考慮如何布線重要的模擬互連，但如果您盡早這樣做，您可以相應(yīng)地規(guī)劃電源和信號(hào)布線。

高頻供電：如果您的模擬板需要以高輸出功率和高頻進(jìn)行傳輸，那么您需要提供非常穩(wěn)定的電源，可能是高電流。計(jì)劃在內(nèi)部層上使用電源層而不是導(dǎo)軌，并在相鄰層上放置接地層。

材料選擇：我認(rèn)為每個(gè)設(shè)計(jì)師都希望模擬電路板的每一層都使用低損耗的基于 PTFE 的層壓板，但這些昂貴的材料并不總是必要的。如果您的工作頻率不是幾十 GHz，并且您只使用較短的布線，那么只要您不布線很長(zhǎng)的互連，您就可以使用標(biāo)準(zhǔn)的 FR4 層壓板。如果您確實(shí)需要低損耗層壓板，請(qǐng)聯(lián)系您的制造商，了解如何使用混合PCB疊層。

今天的模擬板通常在與模擬部分相同的板上包含一個(gè)數(shù)字部分。你應(yīng)該如何在你的堆疊中處理這些？在混合信號(hào)PCB中，電源和接地的建議通常不同，這取決于您的模擬和數(shù)字部分是否需要在它們之間進(jìn)行任何直接布線。

混合信號(hào)接地

如果您的電路板也有一個(gè)數(shù)字部分，那么在您的組件放置方面，事情會(huì)變得更加復(fù)雜。通常，由于數(shù)字電路的速度，您不應(yīng)使用物理上分離的地平面，而應(yīng)使用單個(gè)地平面。嘗試規(guī)劃您的布局，以便數(shù)字和模擬塊的返回路徑自然分離。這在低頻下很困難，這就是為什么如此多的設(shè)計(jì)指南繼續(xù)提倡使用單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地層的原因。

混合信號(hào)電源

對(duì)于混合信號(hào)電源，電源平面通常分為數(shù)字和模擬部分，類似于在不同電源電壓下工作的數(shù)字電源平面所做的工作。這些部分應(yīng)位于同一層中，并參考相鄰層上的同一接地平面。另外，最好將數(shù)字電源軌只放在電路板的數(shù)字部分，模擬電源軌也是如此。

模擬和數(shù)字 PWR/GND 部分的布置示意圖。

如果必須使用上圖左側(cè)的排列，則不應(yīng)將分開的數(shù)字和模擬電源平面放在兩個(gè)相鄰的層中，使平面重疊。如果這兩個(gè)平面在相鄰層中確實(shí)重疊，則這兩個(gè)平面將在重疊區(qū)域之間具有高電容，從而產(chǎn)生強(qiáng)位移電流。由于這兩個(gè)平面之間的電位在切換過程中波動(dòng)，因此這會(huì)導(dǎo)致射頻頻率的腔發(fā)射。

此外，您不應(yīng)通過在模擬和數(shù)字部分之間的間隙上布線來創(chuàng)建數(shù)字和模擬部分之間的接口。要了解原因，請(qǐng)查看這篇文章。您需要的接口可以由 ADC 提供，該 ADC 可能內(nèi)置在您的主機(jī)控制器中，也可以是專用 IC。

模擬PCB布局中的元件放置

就像上面的 PWR/GND 平面圖暗示的那樣，只在模擬部分放置模擬組件，在數(shù)字部分只放置數(shù)字組件。不幸的是，我們無法涵蓋所有可能的組件的放置，但我們可以簡(jiǎn)要討論一些重要的組件。帶有一些重要布局指南的兩個(gè)最有趣的組件是 ADC 和放大器（包括運(yùn)算放大器）。雖然我很想在這里提及 PLL，但這些電路依賴于大量時(shí)鐘路由和精確時(shí)序，最好單獨(dú)寫一篇文章。

處理未使用的運(yùn)算放大器

一個(gè)必然出現(xiàn)在模擬板上的組件是運(yùn)算放大器。在許多運(yùn)算放大器 IC 中，一些運(yùn)算放大器將被閑置。IC 上任何未使用的引線都應(yīng)正確端接。IC 中運(yùn)算放大器上的未端接（即浮動(dòng)）引線會(huì)產(chǎn)生噪聲并傳播到工作 IC 中，從而降低信號(hào)完整性。

如果您使用的是單電源軌，您應(yīng)該首先將輸出短接到反相輸入。這會(huì)產(chǎn)生負(fù)反饋并確保輸出正確跟隨輸入。接下來，將具有相等電阻的分壓器連接到同相輸入和接地引腳。這會(huì)將輸入電位設(shè)置為線性范圍的中點(diǎn)。如果您使用的是分離軌，您可以簡(jiǎn)單地將輸出短接到反相輸入并將同相輸入接地。

功率放大器的問題

在低頻時(shí)，放大器不會(huì)受到任何其他PCB不適用的特殊限制。對(duì)于以高頻運(yùn)行的功率放大器，情況有所不同，因?yàn)榉糯笃鬏敵隹赡軙?huì)不穩(wěn)定，這表現(xiàn)為意外的正反饋。您可以使用一些模擬來跟蹤耦合回放大器輸入，盡管這些需要一個(gè)可以直接與您的PCB布局接口的場(chǎng)解算器。要詳細(xì)了解這個(gè)涉及 RF 功率放大器的有趣信號(hào)完整性問題。

放置 ADC 的位置

ADC 是您的模擬信號(hào)與數(shù)字世界連接的地方，因此該部分需要小心放置，因?yàn)樗鼘瑪?shù)字部分。分立式 ADC 最好大致沿著數(shù)字和模擬部分之間的邊界放置。事實(shí)上，這可能是在具有分離地平面的混合信號(hào)系統(tǒng)中創(chuàng)建接口的唯一可接受的方式，因?yàn)楣?a target="_blank">芯片上的地平面可以為輸入/輸出信號(hào)提供參考平面。但是，如果您使用統(tǒng)一的接地平面，則放置 ADC 以及接地平面提供的屏蔽將具有更大的靈活性。

模擬PCB布線指南

模擬PCB中的布線就是確保沿互連發(fā)送的模擬信號(hào)在互連的接收器側(cè)不會(huì)顯著失真。在使用模擬 PCB 時(shí)，您的凈計(jì)數(shù)通常比在數(shù)字PCB中少得多，因此您可以盡早嘗試一些可能的布局，直到找出可解決的平面圖。以下是一些路線指南，可幫助您：

走線長(zhǎng)度：一般來說，盡量保持模擬PCB中的走線短而直，隨著信號(hào)頻率的提高，這一點(diǎn)非常重要。除了損耗之外，還要注意信號(hào)的臨界長(zhǎng)度。

強(qiáng)制阻抗匹配： 即使您的走線長(zhǎng)度很短，無論如何強(qiáng)制阻抗匹配仍然是一個(gè)好主意。這可能意味著您需要在重要的電路或組件上設(shè)計(jì)一些阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以確保電路之間的無反射功率傳輸。

考慮共面布線：您可以利用共面PCB布線來確保高隔離度而不犧牲阻抗。您仍然可以在違反關(guān)于澆銅的“3W”間隙規(guī)則的同時(shí)強(qiáng)制進(jìn)行阻抗控制。

最小化過孔的使用： 每個(gè)過孔都會(huì)增加互連 S 參數(shù)的損耗，因此最好將這些損耗最小化，并在可能的情況下僅進(jìn)行必要的層轉(zhuǎn)換。對(duì)于那些仍然存在的通孔，它們可能會(huì)像天線一樣產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射

根據(jù)您將在電路板中使用的主頻率，您可能會(huì)考慮通過平面層之間的內(nèi)部層進(jìn)行布線。當(dāng)需要隔離時(shí)，內(nèi)部層上的更高頻率帶狀線或共面布線是首選，只要最小化過孔轉(zhuǎn)換即可。還要確保您的過孔尺寸合適，并與帶有反焊盤的平面間隔適合您的工作頻率，盡管這說起來容易做起來難，也不容易計(jì)算。這個(gè)特定點(diǎn)應(yīng)該通過測(cè)量（S 參數(shù)）進(jìn)行檢查，因?yàn)楦浇钠矫婧推渌麑?dǎo)體將在信號(hào)轉(zhuǎn)換到內(nèi)層期間修改過孔阻抗。

在模擬PCB布局中有很多需要考慮的問題，但正確的設(shè)計(jì)工具和規(guī)則驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)軟件將幫助您實(shí)施所需的指導(dǎo)方針，以保持模擬系統(tǒng)無噪聲并確保信號(hào)/電源完整性。 Altium Designer的? 包含任何模擬，數(shù)字或混合信PCB在單一設(shè)計(jì)環(huán)境，包括強(qiáng)大的路由工具，以幫助您保持高效的最佳PCB布局特點(diǎn)。