對(duì)于高速模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的PCB布局布線有許多的因素需要注意，有些因素取決于應(yīng)用，在所有的設(shè)計(jì)布局中，設(shè)計(jì)工程師都必須盡量以減小誤差為目的，本應(yīng)用筆記提供的信息對(duì)設(shè)計(jì)工程師的下一個(gè)高速設(shè)計(jì)項(xiàng)目會(huì)有所幫助。
裸露焊盤(pán)
裸露焊盤(pán)(EPAD)有時(shí)會(huì)被忽視，但它對(duì)充分發(fā)揮信號(hào)鏈的性能以及器件充分散熱非常重要。
裸露焊盤(pán)，ADI公司稱(chēng)之為引腳0，是目前大多數(shù)器件下方的焊盤(pán)。它是一個(gè)重要的連接，芯片的所有內(nèi)部接地都是通過(guò)它連接到器件下方的中心點(diǎn)。不知您是否注意到，目前許多轉(zhuǎn)換器和放大器中缺少接地引腳，原因就在于裸露焊盤(pán)。
關(guān)鍵是將此引腳妥善固定(即焊接)至PCB，實(shí)現(xiàn)牢靠的電氣和熱連接。如果此連接不牢固，就會(huì)發(fā)生混亂，換言之，設(shè)計(jì)可能無(wú)效。
實(shí)現(xiàn)最佳連接
利用裸露焊盤(pán)實(shí)現(xiàn)最佳電氣和熱連接有三個(gè)步驟。首先，在可能的情況下，應(yīng)在各PCB層上復(fù)制裸露焊盤(pán)，這樣做的目的是為了與所有接地和接地層形成密集的熱連接，從而快速散熱。此步驟與高功耗器件及具有高通道數(shù)的應(yīng)用相關(guān)。在電氣方面，這將為所有接地層提供良好的等電位連接。
甚至可以在底層復(fù)制裸露焊盤(pán)(見(jiàn)圖1)，它可以用作去耦散熱接地點(diǎn)和安裝底側(cè)散熱器的地方。
圖1. 裸露焊盤(pán)布局示例
其次，將裸露焊盤(pán)分割成多個(gè)相同的部分，如同棋盤(pán)。在打開(kāi)的裸露焊盤(pán)上使用絲網(wǎng)交叉格柵，或使用阻焊層。此步驟可以確保器件與PCB之間的穩(wěn)固連接。在回流焊組裝過(guò)程中，無(wú)法決定焊膏如何流動(dòng)并最終連接器件與PCB。連接可能存在，但分布不均?？赡苤坏玫揭粋€(gè)連接，并且連接很小，或者更糟糕，位于拐角處。將裸露焊盤(pán)分割為較小的部分可以確保各個(gè)區(qū)域都有一個(gè)連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更牢靠、均勻連接的裸露焊盤(pán)(見(jiàn)圖2和圖3)。
圖2. EPAD布局不當(dāng)?shù)氖纠?/p>
圖3. 較佳EPAD布局示例
最后，應(yīng)當(dāng)確保各部分都有過(guò)孔連接到地。各區(qū)域通常都很大，足以放置多個(gè)過(guò)孔。組裝之前，務(wù)必用焊膏或環(huán)氧樹(shù)脂填充每個(gè)過(guò)孔，這一步非常重要，可以確保裸露焊盤(pán)焊膏不會(huì)回流到這些過(guò)孔空洞中，影響正確連接。
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去耦和層電容
有時(shí)工程師會(huì)忽略使用去耦的目的，僅僅在電路板上分散大小不同的許多電容，使較低阻抗電源連接到地。但問(wèn)題依舊：需要多少電容?許多相關(guān)文獻(xiàn)表明，必須使用大小不同的許多電容來(lái)降低功率傳輸系統(tǒng)(PDS)的阻抗，但這并不完全正確。相反，僅需選擇正確大小和正確種類(lèi)的電容就能降低PDS阻抗。
圖4. 電容示例
例如，考慮設(shè)計(jì)一個(gè)10 mΩ參考層，如圖4所示。如紅色曲線所示，系統(tǒng)電路板上使用許多不同值的電容，0.001μF、0.01μF、0.1μF等等。這當(dāng)然可以降低500 MHz頻率范圍內(nèi)的
阻抗，但是，請(qǐng)看綠色曲線，同樣的設(shè)計(jì)僅使用0.1μF和10μF電容。這證明，如果使用正確的電容，則不需要如此多的電容。這也有助于節(jié)省空間和物料(BOM)成本。
注意，并非所有電容“生而平等”，即使同一供應(yīng)商，工藝、尺寸和樣式也有差別。如果未使用正確的電容，不論是多個(gè)電容還是幾個(gè)不同類(lèi)型，都會(huì)給PDS帶來(lái)反作用。
結(jié)果可能是形成電感環(huán)路。電容放置不當(dāng)或者使用不同工藝和型號(hào)的電容(因而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的頻率做出不同響應(yīng))，彼此之間可能會(huì)發(fā)生諧振(見(jiàn)圖5)。
圖5. 諧振電容
了解系統(tǒng)所用電容類(lèi)型的頻率響應(yīng)很重要。隨便選用電容，會(huì)讓設(shè)計(jì)低阻抗PDS系統(tǒng)的努力付之東流。
PDS的高頻層電容
要設(shè)計(jì)出合格的PDS，需要使用各種電容(見(jiàn)圖4)。PCB上使用的典型電容值只能將直流或接近直流頻率至約500 MHz范圍的阻抗降低。高于500 MHz頻率時(shí)，電容取決于PCB形成的內(nèi)部電容。注意，電源層和接地層緊密疊置會(huì)有幫助。
應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)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(hào)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(hào)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4密爾，形成一個(gè)固有高頻層電容。此電容的最大優(yōu)點(diǎn)是它是免費(fèi)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(gè)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(shí)應(yīng)注意敏感電路。這將使該VDD層的電容最大。
如果設(shè)計(jì)允許存在額外的層(上例中，從六層變?yōu)榘藢?，則應(yīng)將兩個(gè)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(shí)層疊結(jié)構(gòu)的固有電容將加倍(示例見(jiàn)圖6)。
與添加更多分立高頻電容以在高頻時(shí)保持低阻抗相比，此結(jié)構(gòu)更易于設(shè)計(jì)。
圖6. 高頻層電容示例
PDS的任務(wù)是將響應(yīng)電源電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低，這點(diǎn)很重要但常被忽略。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，有助于將因電路的電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。例如，根據(jù)所用的去耦策略，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電流為1 A，PDS的阻抗為10 mΩ，則最大電壓紋波為10 mV。計(jì)算很簡(jiǎn)單：V = IR。
憑借完美的PCB堆疊，可覆蓋高頻范圍，同時(shí)在電源層起始入口點(diǎn)和高功率或浪涌電流器件周?chē)褂脗鹘y(tǒng)去耦，可覆蓋低頻范圍(<500 MHz)。這可確保PDS阻抗在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均最低。沒(méi)有必要各處都配置電容;電容正對(duì)著每個(gè)IC放置會(huì)破壞許多制造規(guī)則。如果需要這種嚴(yán)厲的措施，則說(shuō)明電路存在其它問(wèn)題。
層耦合
一些布局不可避免地具有重疊電路層(見(jiàn)圖7)。有些情況下，可能是敏感模擬層(例如電源、接地或信號(hào))，下方的一層是高噪聲數(shù)字層。
圖7. 交叉耦合層示例
這常常被忽略，因?yàn)楦咴肼晫邮窃诹硪粚?mdash;—在敏感的模擬層下方。然而，一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)就可以證明事實(shí)并非如此。以某一層面為例，在任一層注入信號(hào)。接著連接另一層，將該相鄰層交叉耦合至頻譜分析儀。耦合到相鄰層的信號(hào)量如圖8所示。即使間距40密爾，某種意義上它仍是電容，因此在某些頻率下仍會(huì)耦合信號(hào)至相鄰層。
圖8. 交叉耦合層實(shí)測(cè)結(jié)果
圖8顯示了這樣的一個(gè)例子。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)一個(gè)層面上的高噪聲數(shù)字層具有高速開(kāi)關(guān)的1 V信號(hào)。這意味著，另一層將看到1 mV的耦合(約60 dB隔離)。對(duì)具有2-V p-p滿量程擺幅的12位ADC，這是2 LSB的耦合。對(duì)于特定的系統(tǒng)這可能不成問(wèn)題，但應(yīng)注意，如果系統(tǒng)的靈敏度提升兩位，從12位增至14位，此耦合的靈敏度只會(huì)提高四倍，即8 LSB。
忽略此類(lèi)型的交叉層耦合可能使系統(tǒng)失效，或者削弱設(shè)計(jì)。必須注意，兩層之間存在的耦合可能超出想象。在目標(biāo)頻譜內(nèi)發(fā)現(xiàn)噪聲雜散耦合時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。有時(shí)布局決定了非預(yù)期信號(hào)或?qū)討?yīng)交叉耦合至不同層。同樣，調(diào)試敏感系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。該問(wèn)題可能出現(xiàn)在下面一層。
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分離接地
模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)人員最常提出的問(wèn)題是：使用ADC時(shí)是否應(yīng)將接地層分為AGND和DGND接地層?簡(jiǎn)單回答是：視情況而定。
詳細(xì)回答則是：通常不分離。為什么不呢?因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，盲目分離接地層只會(huì)增加返回路徑的電感，它所帶來(lái)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(huì)提高。隨著電感增加，設(shè)計(jì)人員一直努力壓低的PDS阻抗也會(huì)增加。隨著提高ADC采樣速率的需求繼續(xù)增長(zhǎng)，降低開(kāi)關(guān)電流(di/dt)的方式卻很有限。因此，除非需要分離接地層，否則請(qǐng)保持這些接地連接。
關(guān)鍵是電路分割要合理，這樣就不必分離接地層，如圖9所示。注意，如果布局允許您將電路保持在各自區(qū)域內(nèi)，便不需要分離接地層。如此分割可提供星型接地，從而將返回電流局限在特定電路部分。
圖9. 良好電路分割示例
例如，受尺寸限制的影響，電路板無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的布局分割時(shí)，就需要分離接地層。這可能是為了符合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要求或尺寸，必須將臟亂的總線電源或高噪聲數(shù)字電路放在某些區(qū)域。這種情況下，分離接地層是實(shí)現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵。然而，為使整體設(shè)計(jì)有效，必須在電路板的某個(gè)地方通過(guò)一個(gè)電橋或連接點(diǎn)將這些接地層連在一起。因此，應(yīng)將連接點(diǎn)均勻地分布在分離的接地層上。
最終，PCB上往往會(huì)有一個(gè)連接點(diǎn)成為返回電流通過(guò)而不會(huì)導(dǎo)致性能降低或強(qiáng)行將返回電流耦合至敏感電路的最佳位置。如果此連接點(diǎn)位于轉(zhuǎn)換器、其附近或下方，則不需要分離接地。
結(jié)束語(yǔ)
由于最佳選項(xiàng)太多，布局考慮總是令人困惑。技術(shù)和原則一直是公司設(shè)計(jì)文化的一部分。工程師喜歡借鑒以前設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)產(chǎn)品上市壓力使設(shè)計(jì)人員不愿更改或嘗試新技術(shù)。他們拘泥于風(fēng)險(xiǎn)權(quán)衡，直至系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)重大問(wèn)題。
在評(píng)估板、模塊和系統(tǒng)級(jí)別，簡(jiǎn)單的單一接地最佳。良好的電路分割是關(guān)鍵。這也影響到層和相鄰層布局。如果敏感層在高噪聲數(shù)字層以上，請(qǐng)注意可能會(huì)發(fā)生交叉耦合。組裝也很重要;提供給PCB車(chē)間或組裝車(chē)間的制造筆記應(yīng)善加利用，確保IC裸露焊盤(pán)和PCB之間具有可靠連接。
組裝不良常常導(dǎo)致系統(tǒng)性能欠佳?？拷娫磳尤肟邳c(diǎn)和轉(zhuǎn)換器或IC的VDD引腳的去耦總是有利的。然而，為了增加固有高頻去耦電容，應(yīng)使用緊密疊置的電源和接地層(間距≤4密爾)。此方法不會(huì)帶來(lái)額外成本，只需花幾分鐘更新PCB制造筆記。
設(shè)計(jì)高速、高分辨率轉(zhuǎn)換器布局時(shí)，很難照顧到所有的具體特性。每個(gè)應(yīng)用都是獨(dú)一無(wú)二的。希望本應(yīng)用筆記所述的幾個(gè)要點(diǎn)有助于設(shè)計(jì)工程師更好地了解未來(lái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
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