模擬電路PCB設(shè)計規(guī)則詳解

盡管構(gòu)建模擬系統(tǒng)看起來像是回到了真空管時代，但模擬元件和電路不會很快消失，支持它們的 PCB 也不會消失。 純模擬電路板和混合信號 PCB 在許多產(chǎn)品中仍然很重要，并將繼續(xù)在一定頻率范圍內(nèi)運行。 開始模擬 PCB 設(shè)計以及需要考慮的事項可能很困難，但我們希望這些指南能夠幫助您了解可以采取哪些步驟來確保成功。

有時最好根據(jù)共同的設(shè)計目標(biāo)來考慮模擬 PCB 和混合信號 PCB。 模擬電路和 PCB 需要特別小心，因為目標(biāo)通常是路由信號并將其輸入到組件/電路中，同時確保低噪聲運行。 然后，電路板運行的頻率范圍將決定需要采取的一些措施，以確保設(shè)計按預(yù)期運行。 在本指南中，我們將概述一些您應(yīng)該考慮的標(biāo)準(zhǔn)模擬 PCB 設(shè)計和布局指南。 我們將嘗試涵蓋從低 kHz 頻率到高毫米波頻率。

模擬PCB層堆疊

電路設(shè)計完成后，層堆疊是設(shè)計的第一站。 模擬層堆棧通常遵循與構(gòu)建數(shù)字 PCB 堆棧相同的思路。 應(yīng)注意以下幾點：

• 電源和接地：計劃在PCB布局中的關(guān)鍵信號走線周圍使用大量接地，并相應(yīng)規(guī)劃電源軌布線。 新手設(shè)計人員可能習(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，則可以相應(yīng)地規(guī)劃電源和信號布線。

• 高頻電源：如果你的模擬板需要高輸出功率和高頻傳輸，你需要提供一個非常穩(wěn)定的電源，可能是大電流。 計劃在內(nèi)層使用電源層代替導(dǎo)軌，并將接地層放置在相鄰層。

• 材料選擇：我認(rèn)為每個設(shè)計師都希望在模擬電路板的每一層使用低損耗 PTFE 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，并且僅使用較短的布線，則可以使用標(biāo)準(zhǔn) FR4 層壓板，只要不使用長互連電纜即可。 如果您確實需要低損耗層壓板，請聯(lián)系您的制造商以了解如何使用混合 PCB 堆棧。

當(dāng)今的模擬板通常在與模擬部分相同的板上包含數(shù)字部分。 您應(yīng)該如何在堆棧中處理這個問題？ 在混合信號 PCB 中，電源和接地的建議通常有所不同，具體取決于您的模擬和數(shù)字部件之間是否需要直接布線。

混合信號接地

如果您的電路板也有數(shù)字部分，那么組件放置的事情會變得更加復(fù)雜。 一般來說，由于數(shù)字電路的速度，您不應(yīng)使用物理上分離的接地層，而應(yīng)使用單個接地層。 嘗試規(guī)劃布局，使數(shù)字模塊和模擬模塊的返回路徑自然分開。 這在低頻下很困難，這就是為什么如此多的設(shè)計指南繼續(xù)提倡使用單獨的模擬和數(shù)字接地層。

混合信號電源

對于混合信號電源，電源層通常分為數(shù)字和模擬部分，類似于數(shù)字電源層在不同電源電壓下工作所完成的工作。 這些部件應(yīng)位于同一層，并參考相鄰層的同一接地平面。 此外，最好將數(shù)字電源軌僅放置在電路板的數(shù)字部分，就像模擬電源軌的情況一樣。

此外，您不應(yīng)該通過連接數(shù)字和模擬部件之間的間隙來創(chuàng)建數(shù)字和模擬部件之間的接口。 要了解原因，請查看這篇文章。 您需要的接口可以由 ADC 提供，ADC 可以內(nèi)置在您的主機(jī)控制器中，也可以是特殊的 IC。

模擬 PCB 布局中的元件放置

不幸的是，我們無法涵蓋所有可能的組件的放置，但我們可以簡要討論一些重要的組件。 具有一些重要布局指南的兩個最有趣的組件是 ADC 和放大器（包括運算放大器）。 雖然我想在這里提到PLL，但這些電路依賴于大量的時鐘布線和精確的時序，所以最好單獨寫一篇文章。

處理未使用的運算放大器

模擬板上必須出現(xiàn)的組件之一是運算放大器。 在很多運算放大器IC中，有些運算放大器會閑置。 IC 上任何未使用的引線均應(yīng)正確端接。 IC 中運算放大器上的未端接（即浮動）引線將產(chǎn)生噪聲并傳播到工作 IC，從而降低信號完整性。

如果您使用單個電源軌，則應(yīng)首先將輸出短路至灌電流輸入。 這會產(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。 這會將輸入電位設(shè)置為線性范圍的中點。 如果您使用分離軌，則只需將輸出短接到漏極輸入并將同相輸入接地即可。

功率放大器的問題

在低頻下，放大器不會受到任何其他 PCB 所不適用的特殊限制。 對于工作在高頻的功率放大器來說，情況有所不同，因為放大器輸出可能不穩(wěn)定，這可能是意外的正反饋。 您可以使用一些模擬來跟蹤放大器輸入的耦合，盡管這些需要可以直接與 PCB 布局連接的場解算器。 了解有關(guān)射頻功率放大器這個有趣的信號完整性問題的更多信息。

ADC 位置

ADC 是模擬信號與數(shù)字世界連接的地方，因此這部分需要小心放置，因為它將包含數(shù)字部分。 分離式 ADC 最好大致沿著數(shù)字和模擬部分之間的邊界放置。 事實上，這可能是在具有單獨接地層的混合信號系統(tǒng)中創(chuàng)建接口的唯一可接受的方式，因為硅芯片上的接地層可以為輸入/輸出信號提供參考層。 然而，如果使用統(tǒng)一的接地層，ADC 的放置以及接地層提供的屏蔽將具有更大的靈活性。

模擬 PCB 接線指南

模擬PCB中的布線是為了確保沿著互連發(fā)送的模擬信號在互連的接收器側(cè)不會明顯失真。 使用模擬 PCB 時，您的凈計數(shù)通常比數(shù)字 PCB 少得多，因此您可以盡早嘗試一些可能的布局，直到找到可解決的計劃。 以下是一些可以幫助您的路線指南：

• 走線長度：一般情況下，盡量保持模擬PCB中的走線短而直。 隨著信號頻率的增加，這一點非常重要。 除了損耗之外，還要注意信號的臨界長度。

• 強(qiáng)制阻抗匹配：即使您的布線長度很短，強(qiáng)制阻抗匹配無論如何仍然是一個好主意。 這可能意味著您需要在重要電路或組件上設(shè)計一些阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以確保電路之間的非反射功率傳輸。

• 考慮共面布線：您可以使用共面 PCB 布線來確保高隔離度，而無需犧牲阻抗。 您仍然可以強(qiáng)制進(jìn)行阻抗控制，同時違反銅鑄件的“3W”間隙規(guī)則。

• 盡量減少過孔的使用：每個過孔都會增加互連S參數(shù)的損失，因此最好盡量減少這些損失，如果可能的話，只進(jìn)行必要的層轉(zhuǎn)換。 對于那些仍然存在的過孔，它們可能會像天線一樣產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射

根據(jù)您將在電路板中使用的主頻率，您可以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，優(yōu)先選擇內(nèi)層頻率較高的帶狀線或共面布線，只要過孔轉(zhuǎn)換即可。