混合信號(hào)電路板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

模擬電路的工作依賴(lài)連續(xù)變化的電流和電壓。數(shù)字電路的工作依賴(lài)在接收端根據(jù)預(yù)先定義的電壓電平或門(mén)限對(duì)高電平或低電平的檢測(cè)，它相當(dāng)于判斷邏輯狀態(tài)的“真”或“假”。在數(shù)字電路的高電平和低電平之間，存在“灰色”區(qū)域，在此區(qū)域數(shù)字電路有時(shí)表現(xiàn)出模擬效應(yīng)，例如當(dāng)從低電平向高電平(狀態(tài))跳變時(shí)，如果數(shù)字信號(hào)跳變的速度足夠快，則將產(chǎn)生過(guò)沖和回鈴反射現(xiàn)象。
對(duì)于現(xiàn)代板極設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，混合信號(hào)PCB的概念比較模糊，這是因?yàn)榧词乖诩兇獾摹皵?shù)字”器件中，仍然存在模擬電路和模擬效應(yīng)。因此，在設(shè)計(jì)初期，為了可靠實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)序分配，必須對(duì)模擬效應(yīng)進(jìn)行仿真。實(shí)際上，除了通信產(chǎn)品必須具備無(wú)故障持續(xù)工作數(shù)年的可靠性之外，大量生產(chǎn)的低成本/高性能消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中特別需要對(duì)模擬效應(yīng)進(jìn)行仿真。
現(xiàn)代混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)是不同數(shù)字邏輯的器件越來(lái)越多，比如GTL、LVTTL、LVCMOS及LVDS邏輯，每種邏輯電路的邏輯門(mén)限和電壓擺幅都不同，但是，這些不同邏輯門(mén)限和電壓擺幅的電路必須共同設(shè)計(jì)在一塊PCB上。在此，通過(guò)透徹分析高密度、高性能、混合信號(hào)PCB的布局和布線(xiàn)設(shè)計(jì)，你可以掌握成功策略和技術(shù)。
混合信號(hào)電路布線(xiàn)基礎(chǔ)
當(dāng)數(shù)字和模擬電路在同一塊板卡上共享相同的元件時(shí)，電路的布局及布線(xiàn)必須講究方法。圖1所示的矩陣對(duì)混合信號(hào)PCB的設(shè)計(jì)規(guī)劃有幫助。只有揭示數(shù)字和模擬電路的特性，才能在實(shí)際布局和布線(xiàn)中達(dá)到要求的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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圖1：模擬和數(shù)字電路：混合信號(hào)設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面
在混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中，對(duì)電源走線(xiàn)有特別的要求并且要求模擬噪聲和數(shù)字電路噪聲相互隔離以避免噪聲耦合，這樣一來(lái)布局和布線(xiàn)的復(fù)雜性就增加了。對(duì)電源傳輸線(xiàn)的特殊需求以及隔離模擬和數(shù)字電路之間噪聲耦合的要求，使混合信號(hào)PCB的布局和布線(xiàn)的復(fù)雜性進(jìn)一步增加。
如果將A/D轉(zhuǎn)換器中模擬放大器的電源和A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源接在一起，則很有可能造成模擬部分和數(shù)字部分電路的相互影響?；蛟S，由于輸入/輸出連接器位置的緣故，布局方案必須把數(shù)字和模擬電路的布線(xiàn)混合在一起。
在布局和布線(xiàn)之前，工程師要弄清楚布局和布線(xiàn)方案的基本弱點(diǎn)。即使存在虛假判斷，大部分工程師傾向利用布局和布線(xiàn)信息來(lái)識(shí)別潛在的電氣影響。
現(xiàn)代混合信號(hào)PCB的布局和布線(xiàn)
下面將通過(guò)OC48接口卡的設(shè)計(jì)來(lái)闡述混合信號(hào)PCB
布局和布線(xiàn)的技術(shù)。OC48代表光載波標(biāo)準(zhǔn)48，基本上面向2.5Gb串行光通訊，它是現(xiàn)代通訊設(shè)備中高容量光通訊標(biāo)準(zhǔn)的一種。OC48接口卡包含若干典型混合信號(hào)PCB的布局和布線(xiàn)問(wèn)題，其布局和布線(xiàn)過(guò)程將指明解決混合信號(hào)PCB布局方案的順序和步驟。
OC48卡包含一個(gè)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)和模擬電信號(hào)雙向轉(zhuǎn)換的光收發(fā)器。模擬信號(hào)輸入或輸出數(shù)字信號(hào)處理器，DSP將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯電平，從而可與微處理器、可編程門(mén)陣列以及在OC48卡上的DSP和微處理器的系統(tǒng)接口電路相連接。獨(dú)立的鎖相環(huán)、電源濾波器和本地參考電壓源也集成在一起。
其中，微處理器是一個(gè)多電源器件，主電源為2V，3.3V的I/O信號(hào)電源由板上其他數(shù)字器件共享。獨(dú)立數(shù)字時(shí)鐘源為OC48 I/O、微處理器和系統(tǒng)I/O提供時(shí)鐘。
經(jīng)過(guò)檢查不同功能電路塊的布局和布線(xiàn)要求，初步建議采用12層板，如圖3所示。微帶和帶狀線(xiàn)層的配置可以安全地減少鄰近走線(xiàn)層的耦合并改善阻抗控制。第一層和第二層之間設(shè)置接地層，將把敏感的模擬參考源、CPU核和PLL濾波器電源的布線(xiàn)與在第一層的微處理器和DSP器件相隔離。電源和接地層總是成對(duì)出現(xiàn)的，與OC48卡上為共享3.3V電源層所做的一樣。這樣將降低電源和地之間的阻抗，從而減少電源信號(hào)上的噪聲。
要避免在鄰近電源層的地方走數(shù)字時(shí)鐘線(xiàn)和高頻模擬信號(hào)線(xiàn)，否則，電源信號(hào)的噪聲將耦合到敏感的模擬信號(hào)之中。
形并簡(jiǎn)化制作過(guò)程。由于1盎司覆銅板耐大電流的能力強(qiáng)，3.3V電源層和對(duì)應(yīng)的接地層要采用1盎司覆銅板，其它層可以采用0.5盎司覆銅板，這樣，可以降低暫態(tài)高電流或尖峰期間引起的電壓波動(dòng)。
如果你從接地層往上設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)采用0.093英寸和0.100英寸厚度的卡以支撐布線(xiàn)層及接地隔離層?？ǖ暮穸冗€必須根據(jù)過(guò)孔焊盤(pán)和孔的布線(xiàn)特征尺寸調(diào)整，以便使鉆孔直徑與成品卡厚度的寬高比不超過(guò)制造商提供的金屬化孔的寬高比。
如果要用最少的布線(xiàn)層數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)低成本、高產(chǎn)量的商業(yè)產(chǎn)品，則在布局或布線(xiàn)之前，要仔細(xì)考慮混合信號(hào)PCB上所有特殊電源的布線(xiàn)細(xì)節(jié)。在開(kāi)始布局和布線(xiàn)之前，要讓目標(biāo)制造商復(fù)查初步的分層方案。基本上要根據(jù)成品的厚度、層數(shù)、銅的重量、阻抗(帶容差)和最小的過(guò)孔焊盤(pán)和孔的尺寸來(lái)分層，制造商應(yīng)該書(shū)面提供分層建議。
建議中要包含所有受控阻抗帶狀線(xiàn)和微帶線(xiàn)的配置實(shí)例。要將你對(duì)阻抗的預(yù)測(cè)與制造商對(duì)阻抗的結(jié)合起來(lái)考慮，然后，利用這些阻抗預(yù)測(cè)可以驗(yàn)證用于開(kāi)發(fā)CAD布線(xiàn)規(guī)則的仿真工具中的信號(hào)布線(xiàn)特性。
OC48卡的布局
在光收發(fā)器和DSP之間的高速模擬信號(hào)對(duì)外部噪聲非常敏感。同樣，所有特殊電源和參考電壓電路也使該卡的模擬和數(shù)字電源傳輸電路之間產(chǎn)生大量的耦合。有時(shí)，受機(jī)殼形狀的限制，不得不設(shè)計(jì)高密度板卡。由于外部光纜接入卡的方位和光收發(fā)器部分元件尺寸較高，使收發(fā)器在卡中的位置很大程度上被固定死。系統(tǒng)I/O連接器位置和信號(hào)分配也是固定的。這是布局之前必須完成的基礎(chǔ)工作(見(jiàn)圖4)。
與大多數(shù)成功的高密度模擬布局和布線(xiàn)方案一樣，布局要滿(mǎn)足布線(xiàn)的要求，布局和布線(xiàn)的要求必須互相兼顧。對(duì)一塊混合信號(hào)PCB的模擬部分和2V工作電壓的本地CPU內(nèi)核，不推薦采用“先布局后布線(xiàn)”的方法。對(duì)OC48卡來(lái)說(shuō)，DSP模擬電路部分包含有模擬參考電壓和模擬電源旁路電容的部分應(yīng)首先互動(dòng)布線(xiàn)。完成布線(xiàn)后，具有模擬元件和布線(xiàn)的整個(gè)DSP要放到距離光收發(fā)器足夠近的地方，充分保證高速模擬差分信號(hào)到DSP的布線(xiàn)長(zhǎng)度最短、彎曲和過(guò)孔最少。差分布局和布線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性將減少共模噪聲的影響。但是，在布線(xiàn)之前很難預(yù)測(cè)布局的最佳方案(見(jiàn)圖5)。
要向芯片分銷(xiāo)商咨詢(xún)PCB排板的設(shè)計(jì)指南。在按照指南設(shè)計(jì)之前，要與分銷(xiāo)商的應(yīng)用工程師充分交流。許多芯片分銷(xiāo)商對(duì)提供高質(zhì)量的布板建議有嚴(yán)格的時(shí)間限制。有時(shí)，他們提供的解決方案對(duì)于使用該器件的“一級(jí)客戶(hù)”是可行的。在信號(hào)完整性(SI)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，新器件的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)特別重要。根據(jù)分銷(xiāo)商的基本指南并與封裝中每條電源和接地引腳的特定要求相結(jié)合，就可以開(kāi)始對(duì)集成了DSP和微處理器的OC48卡布局布線(xiàn)。
高頻模擬部分的位置和布線(xiàn)確定后，就可以按照框圖中所示的分組方法放置其余的數(shù)字電路。要注意仔細(xì)設(shè)計(jì)下列電路：對(duì)模擬信號(hào)靈敏度高的CPU中PLL電源濾波電路的位置；本地CPU內(nèi)核電壓調(diào)整器；用于“數(shù)字”微處理器的參考電壓電路。
數(shù)字布線(xiàn)的電氣和制造準(zhǔn)則規(guī)范此時(shí)才可以恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到設(shè)計(jì)之中。前述對(duì)高速數(shù)字總線(xiàn)和時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)完整性的設(shè)計(jì)，揭示出一些對(duì)處理器總線(xiàn)、平衡Ts及某些時(shí)鐘信號(hào)布線(xiàn)的時(shí)滯匹配的特殊布線(xiàn)拓?fù)湟?。但是你或許不知道，也有人提出更新的建議，即增加若干端接電阻。
在解決問(wèn)題的過(guò)程中，布板階段做一些調(diào)整是當(dāng)然的事。但是，在開(kāi)始布線(xiàn)之前，很重要的一步是按照布局方案驗(yàn)證數(shù)字部分的時(shí)序。此時(shí)此刻，對(duì)板卡進(jìn)行完整DFM/DFT布局復(fù)查將有助于確保該卡滿(mǎn)足客戶(hù)的需要。
OC48卡的數(shù)字布線(xiàn)
對(duì)于數(shù)字器件電源線(xiàn)和混合信號(hào)DSP的數(shù)字部分，數(shù)字布線(xiàn)要從SMD出路圖(escape
patterns)開(kāi)始。要采用裝配工藝允許的最短和最寬的印制線(xiàn)。對(duì)于高頻器件來(lái)說(shuō)，電源的印制線(xiàn)相當(dāng)于小電感，它將惡化電源噪聲，使模擬和數(shù)字電路之間產(chǎn)生不期望的耦合。電源印制線(xiàn)越長(zhǎng)，電感越大。
采用數(shù)字旁路電容可以得到最佳的布局和布線(xiàn)方案。簡(jiǎn)言之，根據(jù)需要微調(diào)旁路電容的位置，使之安裝方便并分布在數(shù)字部件和混合信號(hào)器件數(shù)字部分的周?chē)Ｒ捎猛瑯拥摹白疃毯妥顚挼淖呔€(xiàn)”方法對(duì)旁路電容出路圖進(jìn)行布線(xiàn)。
當(dāng)電源分支要穿過(guò)連續(xù)的平面時(shí)(如OC48接口卡上的3.3V電源層)，則電源引腳和旁路電容本身不必共享相同的出口圖，就可以得到最低的電感和ESR旁路。在OC48接口卡這樣的混合信號(hào)PCB上，要特別注意電源分支的布線(xiàn)。記住，要在整個(gè)卡上以矩陣排列的形式放置額外的旁路電容，即使在無(wú)源器件附近也要放置 。
電源出路圖確定之后，就可以開(kāi)始自動(dòng)布線(xiàn)。OC48卡上的ATE測(cè)試觸點(diǎn)要在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)定義。要確保ATE接觸到100%的節(jié)點(diǎn)。為了以0.070英寸的最小ATE測(cè)試探頭實(shí)現(xiàn)ATE測(cè)試，必須保留引出過(guò)孔(breakout via)的位置，以保證電源層不會(huì)被過(guò)孔的反面焊盤(pán)(antipads)交叉所隔斷。
如果要采用一個(gè)電源和接地層開(kāi)口(split)方案，應(yīng)在平行于開(kāi)口的鄰近布線(xiàn)層上選擇偏移層(layer bias)。在鄰近層上按該開(kāi)口區(qū)域的周長(zhǎng)定義禁止布線(xiàn)區(qū)，防止布線(xiàn)進(jìn)入。如果布線(xiàn)必須穿過(guò)開(kāi)口區(qū)域到另一層，應(yīng)確保與布線(xiàn)相鄰的另一層為連續(xù)的接地層。這將減少反射路徑。讓旁路電容跨過(guò)開(kāi)口的電源層對(duì)一些數(shù)字信號(hào)的布板有好處，但不推薦在數(shù)字和模擬電源層之間進(jìn)行橋接，這是因?yàn)樵肼晻?huì)通過(guò)旁路電容互相耦合。
若干最新的自動(dòng)布線(xiàn)應(yīng)用程序能夠?qū)Ω呙芏榷鄬訑?shù)字電路進(jìn)行布線(xiàn)。初步布線(xiàn)階段要在SMD出口中使用0.050英寸大尺寸過(guò)孔間距和考慮所使用的封裝類(lèi)型，后續(xù)布線(xiàn)階段要容許過(guò)孔的位置互相靠得比較近，這樣所有工具都能實(shí)現(xiàn)最高的布通率和最低的過(guò)孔數(shù)。由于OC48處理器總線(xiàn)采用一種改進(jìn)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在自動(dòng)布線(xiàn)時(shí)其優(yōu)先級(jí)最高。
總結(jié)
OC48卡布板完成之后要進(jìn)行信號(hào)完整性核查和時(shí)序仿真。仿真證明布線(xiàn)指導(dǎo)達(dá)到預(yù)期的要求并改善了第二層總線(xiàn)的時(shí)序指標(biāo)。最后進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、最終制造的復(fù)查、光罩和復(fù)查并簽發(fā)給制造者，則布板任務(wù)才正式結(jié)束。