Как оптимизираното многослойно PCB проектиране може да подобри цялостта на сигнала?

1. Въведение: Значението на оптимизираната целост на сигнала при проектирането на смесени многослойни PCB

В днешния бързо развиващ се електронен пазар, търсенето на компактни и високоефективни устройства задвижва интегрирането на аналогови и цифрови вериги в една единствена смесена PCB платка . Тези платки захранват всичко – от умни промишлени контролери до автомобилни системи за информационни технологии и забавления, а в центъра на тяхната работа стои един решаващ аспект: цялостност на сигнала .

Целостта на сигнала (SI) се отнася до качеството и надеждността на електрическите сигнали, докато преминават през печатана платка. Когато сигналът запазва желаната си форма, напрежение и времеви параметри по време на предаването си, системата работи както очаквано. Въпреки това, при наличие както на високочестотни цифрови PCB секции, така и на чувствителни аналогови PCB домейни, съществуващи заедно в смесена аналогово-цифрова схема, заплахите за качеството на сигнала се умножават. Високочестотни преходи, превключващ шум и паразитни ефекти могат да деградират сигналите — което води до кръстосано разпространение , отскачане на земята , електромагнитни смущения ( ЕМИ ) и проблеми с регулаторните изисквания, както и болезнено закъснение при излизането на продукта на пазара.

Защо целостта на сигнала е толкова важна в смесените аналогово-цифрови PCB платки?

Платките със смесен тип сигнал са изправени пред уникални предизвикателства по отношение на целостта на сигнала, тъй като цифровите вериги генерират бързи преходи, колебания на напрежението и импулсни токове, които лесно могат да замърсят аналоговите пътища. Нежелана вълна в референтен равнина на земята или повреден часовников сигнал могат да означават неточни аналогови измервания, неуспешна ADC интеграция или повредени предавания на данни — всичко това е особено сериозно при приложения с критично значение за безопасността или с висока резолюция.

Таблица с бързи факти: Защо целостта на сигнала е важна в смесените аналогово-цифрови PCB платки

Какво включва това ръководство

В това задълбочено ръководство ще научите:

• Основите на смесена PCB платка инженерство
• Практически най-добри практики за управление на SI (с ключови думи като контролиран импеданс , маршрутизация на диференциални двойки , и стратегии за заземяване )
• 12-стъпков процес за максимизиране на производителността и възможността за производство
• Разширено покритие на преходни отвори, структури от слоеве, разединяващи кондензатори и други
• Съвети за отстраняване на неизправности и примери от практиката
• Най-новите инструменти за SI симулация и Анализ на PDN

2. Какво е дизайн на смесеносигнални PCB?

A смесена PCB платка е печатна платка, която интегрира както аналогови, така и цифрови компоненти в единна подложка. Това сливане позволява на съвременните устройства да свързват физическия — аналоговия — свят с цифровата среда, като осъществява всичко от IoT продукти, богати на сензори, до напреднали електронни блокове за управление в автомобили.

Определяне на смесеносигналните, аналоговите и цифрови области на PCB

• Аналогови PCB управляват непрекъснати сигнали — като аудио, температура или нива на напрежение. Тези сигнали са изключително чувствителни към шум, взаимни влияния и миниатюрни колебания на напрежението.
• Цифрови PCB обработват дискретни логически сигнали (0 и 1). Въпреки че изглеждат устойчиви, цифровите вериги — особено високочестотните — са основен източник на електромагнитни смущения, прескачане на земята и едновременно превключващи изходи (SSO).
• Проектиране на комбинирани PCB се отнася за разположения, при които тези два свята трябва да съжителстват, като изисква изключително внимание към цялостност на сигнала , заземяване и цялостност на захранването.

Типични приложения на комбинирани PCB

Комбинираните PCB са основа на много системи с критично значение, включително:

• Индустриална автоматизация: Реално време управление с интерфейси за високоточни сензори.
• Автомобилни системи: Информационно-забавлението, управление на батерията, ADAS и управление на двигателя.
• Потребителска електроника: Смартфони, носими устройства, аудио уреди и камери.
• Медицински устройства: Монитори за пациенти, системи за визуализация и диагностично оборудване.
• Комуникации: Мрежови маршрутизатори, предавателно-приемни модули, SDR и високоскоростно мрежово оборудване.

Таблица: Примерни приложения на смесеносигнални PCB

Защо проектирането на смесеносигнални PCB е предизвикателство?

Основното предизвикателство е управляването на цялостност на сигнала , защото:

• Цифровите вериги създават бързи промени в напрежението (висок dV/dt, висок di/dt), които индуцират шум в общи земни и захранващи мрежи.
• Аналоговите вериги са чувствителни към шум с ниско ниво, дори на ниво микроволти, което може да причини СНР влошаване на (сигнал-към-шум) и THD (обща хармонична изкривяване) в АЦП.
• Тактовите сигнали (като тези, които захранват ADC интеграция ) и линиите за данни пресичат множество домейни, което води до кръстосано разпространение , непрекъснатост на връщащия се път , и грешки в синхронизацията.
• Лошо реализирана стратегии за заземяване и PCB структура може да усилва тези рискове, особено при плътни многослойни платки.

Разбиране на ключовите компоненти за смесен сигнал

Успешна PCB за смесен сигнал осигурява:

• Изолация: Запазване на аналоговите сигнали свободни от цифров шум чрез разположение, разделяне на земята или защитни пръстени.
• Надеждна конверсия: Осигуряване на точни данни с ниско джитър от вашите АЦП (напр. 12-битови или 16-битови) и ЦАП чрез използване на чисти мрежи за разпределение на тактовия сигнал и оптимизирано декоплиране.
• Контролирано вълново съпротивление: Прилагане на 50 Ω единични или 100 Ω диференциални линии за високоскоростни трасета, използвайки микровълнови, стреплайн или равнинни вълноводни структури.
• Ефективна мрежа за захранване (PDN): Ограничаване на пулсациите и поддържане на стабилни напрежения чрез подходящи декоплиращи кондензатори и проектиране на равнини за захранване.
• Екраниране и управление на ЕМИ: Използване на преминаващи контактни площи (via stitching), медно покритие или кутии на Фарадей в ключови чувствителни области.

3. Основни предизвикателства за целостта на сигнала при подобряване на смесеносигнални PCB

Проектирането на стабилна смесена PCB платка е деликатен баланс: изискава прецизна координация между чувствителността на аналоговите компоненти и непрекъснатата активност на цифровата логика върху обща подложка. Докато скоростите на данните нарастват и плътността на платките се увеличава, осигуряването на стабилна цялостност на сигнала (SI) става не просто предизвикателство, а задължително условие. По-долу разглеждаме основните препятствия за целостта на сигнала, с които всеки проектиращ смесеносигнални PCB трябва да се справи, за да осигури надеждни продукти с висока производителност.

1. Взаимни наводнения и свързване на шум

Когато аналогови и цифрови проводници минават близо един до друг, особено на дълги успоредни участъци, бързо променящите се цифрови сигнали инжектират шум в чувствителни аналогови линии чрез взаимна капацитивност и индуктивност — явление, известно като кръстосано разпространение . При високочестотни проекти това може да причини значителни грешки в аналоговите измервания или да повреди данните. Лошо маршрутизация на диференциални двойки и несъгласувани импеданси влошават този проблем.

2. Отскок на земята и затворени контури на земята

Отскачане на земята възниква, когато високоскоростните цифрови изходи превключват едновременно, което предизвиква рязка промяна на напрежението в земята. Тези промени (едновременно превключващи се изходи или SSO) са особено проблемни, когато аналоговата и цифровата секции споделят цялостно или частично обща плоча за земя. Това води не само до грешки в цифровото време, но също така нарушава опорните напрежения за аналого-цифрови преобразуватели, операционни усилватели и чувствителни сензори.

Замерни цикли се появяват, когато съществуват множество пътища за връщане към земята, формирайки нежелани „антени“, които могат да въведат бумтене, осцилации или улавяне на външни ЕМП смущения. Поради това стратегии за заземяване —като внимателно разположение и свързване в една точка към земята—са от решаващо значение за платките със смесен сигнал.

3. Шум в мрежата за захранване (PDN)

Колебания в линиите за захранване, причинени от бързо превключващи се товари (цифрови ИС, драйвери на часовник), могат да генерират пулсации и импулси от шум, които директно се свързват с аналоговите линии за захранване или аналоговите входове за референтно напрежение. Ако разцепващи конденсатори са недостатъчни, неправилно разположени или имат лоши характеристики на еквивалентното серийно съпротивление (ESR), качеството на захранването се влошава. Нестабилна PDN не само подкопава целостта на сигнала (SI), но и застрашава резолюцията на АЦП (причинява джитър, губене на отношението сигнал-шум и дори функционални грешки).

4. Прекъсвания в импеданса и нарушения на пътя на връщане

Сигналите с висока честота се държат като предавателни линии с контролиран импеданс (обикновено микролента или полоска), и всяко прекъсване – като например лошо проектиран преход, свързващ елемент или разделяне на равнината за захранване/маса – ще причини отражения на сигнала, стоещи вълни и несъответствие на импеданса . По същия начин пътищата на връщане както за аналоговите, така и за цифровите сигнали трябва да са кратки, директни и без разделяния или къси клонове, в противен случай ще възникнат отражения и загуба на сигнал да се случат.

Таблица: Чести нарушения и тяхното въздействие

5. Проблеми с ЕМИ/ЕМС

Електромагнитна интерференция (EMI) електромагнитните смущения (ЕМИ) и електромагнитната съвместимост (ЕМС) са всеобхватни предизвикателства, особено при смесени сигнали. Бързодействащите цифрови вериги действат като „излъчватели“ на ЕМИ, докато аналоговите сензори, RF входовете и АЦП-тата са уязвими „жертви“. Недостатъчно екраниране , лошо разположение на равнините и липсата на свързващи вии могат да превърнат платката в предавателна антена, което застрашава сертифицирането по регулаторни изисквания.

6. Проблеми със синхронизацията на сигналите и разпределението на тактовия сигнал

Непостоянни мрежи за разпределение на тактовия сигнал или прекомерни джитър на тактовия сигнал могат да причинят несъответствия в синхронизацията (skew) между домейните, което води до непредвидима латентност, метастабилност и грешки при вземане на данни — особено по време на преход между тактови домейни . АЦП и ЦАП са особено чувствителни към шум и джитър в тактовия сигнал, които влошават ефективната лентова ширина и точността.

7. Недостатъчно моделиране и анализ преди разположението

Съвременната сложност на ППС прави рисковано да се действа на принципа „ще видим по пътя“ без целенасочен SI симулация и цялостност на захранването (PI) анализ. Инструменти за симулация (като HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) позволяват на проектиращия да предвиди и коригира деликатни проблеми — като несъответствие в дължините, прекъсвания в пътя на връщане, паразитна капацитивност и топлинни пикове — още преди производството.

4. Най-добри практики и ключови аспекти

Проектирането на смесена PCB платка с изключителни цялостност на сигнала изисква прецизен, холистичен подход. Всяко решение — от подредбата на слоевете до разпределението на захранването — може да повлияе на крайната работоспособност на платката в реални условия. В този раздел ще откриете основни, приложими практики, които обхващат както проектантските основи, така и напреднали техники за интеграция на аналогови/цифрови компоненти.

1. Планирайте разделянето на платката рано

Ясното функционално разделяне е от съществено значение. Заделете отделни зони за аналогови PCB и цифрови PCB вериги по време на схематично улавяне и подреждане на компонентите. Физическото разстояние значително намалява шумовата връзка, трептенето на земята и взаимното влияние между домейните. Правило на палеца: никога не провеждайте цифров часовников сигнал или високоскоростни данни под или близо до чувствителни аналогови компоненти.

Основни действия:

• Поставете АЦП, сензорите и аналоговите усилватели възможно най-далеч от осцилатори, FPGA, превключващи регулатори и високочестотни кварцови източници.
• Ориентирайте основните цифрови данни шини така, че да са перпендикулярни на критичните аналогови сигнали, за да се ограничи капацитивното свързване.

2. Оптимизирайте структурата на платката (PCB Stack-Up)

PCB структура влияе на всичко – от имунитета към ЕМИ до контрола на импеданса. Приемете структура на слоеве, при която слоевете с високоскоростни сигнали са поставени между плътни, непрекъснати заземени (и където е необходимо, захранващи) площи. Това не само създава линии за предаване с контролиран импеданс, но и позволява кратки, директни обратни пътища за бързи преходни токове.

3. Основни стратегии за заземяване

Заземяването е основата за целостта на смесените сигнали. Има два основни подхода:

• Едноточково (звезден) заземяване: Специално съединение свързва аналоговите и цифровите връщания по контролиран начин — особено ефективно за проекти с ниски и среди честоти.
• Непрекъсната заземлителна равнина: За проекти с по-висока скорост/честота, цялостна непрекъсната медна равнина с внимателно сегментиране (ако е необходимо) осигурява най-къси пътища за връщане и минимално генериране на ЕМИ.

Най-добри техники за заземяване при смесени платки:

• Избягвайте заземителни цикли като осигурите единичен път за връщане за всяка функция на веригата.
• Не разделяйте заземлителните площи произволно. Разделяйте само ако е абсолютно необходимо и винаги ги свързвайте в една единствена точка с ниско съпротивление под АЦП или основния преобразувател.
• Използвайте предпазни пръстени или медни наливки около аналогови линии с високо съпротивление и критични аналогови вериги, за да ги екранирате допълнително.

4. Контрол на импеданса и използване на диференциално трасиране

Високочестотните цифрови проводници трябва да се трасират като контролиран импеданс линии, съгласувани с изискванията на интерфейса (обикновено 50 Ω единично крайно, 100 Ω диференциално). Това минимизира сигналните отражения и стоечните вълни. При диференциална сигнализация (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) разстоянието между проводниците и съгласуването на дължината са задължителни.

5. Осигурете надеждно захранване и декуплиране

Ваш мрежата за разпределение на захранването (PDN) заслужава сериозно инженерно внимание.

• Използвайте отделни регулатори или филтрирани домейни за аналогови и цифрови шини. Нискощумни ЛДО (линейни регулатори) за аналогови, импулсни регулатори (SMPS) за цифрови натоварвания, филтрирани по необходимост.
• Поставяйте стратегически декуплиращи кондензатори (включително с различни стойности за филтриране при висока/ниска честота) възможно най-близо до контактите за захранване на ИС. Избирайте кондензатори с ниско ESR и използвайте комбинация от керамични MLCC (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF и т.н.).
• Използвайте феритни бусини или малки изолационни индуктори между аналоговите и цифровите площини/шини.

Примерна таблица за декоплиране

6. Приоритизирайте управлението на ЕМИ/ЕМС

Приложете многослойен подход:

• Използвайте екраниращи кутии и метални корпуси за високорискови аналогови и RF секции.
• Виа съединяване (редовно разположени заземителни виаси) около аналоговите секции и по ръбовете на платката фиксират връщащите се токове, намалявайки „изтичането“ на ЕМИ.
• Внимателно насочване на тактовия сигнал линиите на часовника трябва да са къси, прокарани далеч от аналоговите зони и екранирани от съседни земни следи или площи. Избягвайте прокарването на часовникови сигнали през слотове или разделени земни области, за да се предотврати излъчването.

7. Потвърждаване с инструменти за симулация и DFM проверки

Не гадайте — симулирайте! Използвайте SI симулация и Анализатор на PDN инструменти (като HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity или вградени инструменти в Altium/OrCAD), за да оцените:

• Диаграми на сигнала (signal eye diagrams)
• Прогнози за взаимни влияния (crosstalk)
• Цялостност на връщащия се път
• Пулсации на захранването и земята
• Топлинни пикове/топлинен контрол

5. 12 стъпки към оптимизирана и ефективна смесена PCB конструкция

Овладяване цялостност на сигнала с практически, стъпка по стъпка процес, който е в сърцето на проектирането смесени PCB въз основа на сигнали които работят надеждно при реални условия. По-долу представяме 12 доказани стъпки — всяка от които отразява най-добри практики в индустрията, типични грешки и приложими инженерни знания.

Стъпка 1: Отделете аналоговите и цифровите секции още в началото

1.1 Идентифицирайте аналоговите и цифровите области

• Прегледайте вашата схема, за да класифицирате компонентите като изцяло аналогови, цифрови или смесени (като АЦП, ЦАП, кодеки).
• Добавете бележки за функцията на всяка верига: нискощумна аналогова, цифрова логика, високочестотно тактово управление и т.н.

1.2 Стратегическо разположение

• Физически разделяне на аналоговите и цифровите области върху монтажната плоча (PCB).
• Насочвайте аналоговите сигнали далеч от цифровите шини и избягвайте прокарване на цифрови проводници под аналогови ИС.
• Използвайте шелак или медни маркировки, за да обозначите граници, което помага при сглобяването и отстраняването на неизправности.

Стъпка 2: Избор на компоненти с подходящи интерфейси

При интегриране на различни подсистеми изборът на правилния протокол за интерфейс подобрява както перформанс и цялостност на сигнала .

Чести интерфейси и най-подходящи случаи на употреба

Стъпка 3: Подобряване на функционалността на АЦУ за точни измервания

3.1 Изберете подходящ АЦУ за задачата

• Разглеждали ключови спецификации на АЦУ резолюция (12, 16, 24 бита), съотношение сигнал-шум (SNR), коефициент на хармонични изкривявания (THD), максимална честота на дискретизация, входно съпротивление, стабилност на опорното напрежение.
• Изберете архитектура, подходяща за приложението: SAR, Sigma-Delta или Pipeline АЦП.

3.2 Осигурете стабилни часови сигнали и отделяне на източниците на шум

• Използвайте осцилатори с ниско джитър. Часовият джитър влошава ефективния брой битове (ENOB) при високоскоростни АЦП.
• Физически отделяйте часовите трасета от шумни цифрови шини.
• Декуплирайте захранването на АЦП с кондензатори с ниско ESR.

3.3 Поддържайте чистото на опорните напрежения

• Поставяйте опорни кондензатори (10–100 μF, плюс керамични 0,1 μF) близо до извода Vref на АЦП.
• Защитни пръстени около линиите с опорно напрежение допълнително намаляват възможността за шумово свързване.

Стъпка 4: Проектиране на ефективен слоеви PCB

Точно проектиран PCB структура е основата за успеха при смесените сигнали.

• Поставяйте слоевете с високочестотни сигнали до плътни референтни площи.
• Избягвайте разделянето на заземителни или захранващи площи под пренасящи се сигнали.
• Поддържайте симетрия в структурата, за да се минимизира огъването/деформацията и да се осигури потискане на взаимните влияния.

Стъпка 5: Прилагане на ефективни стратегии за заземяване

• Едноточкова връзка между аналогови и цифрови заземявания (обикновено при АЦП).
• Използвайте плътни, широки медни покрития/дъги за пътищата на заземяване – минимизирайте съпротивлението и индуктивността.
• Използват защитни следи и медни покрития около чувствителни аналогови сигнали.

Стъпка 6: Оптимизиране на разпределението на захранването и деконфилирането

6.1 Използване на отделни захранвания

• Отделни аналогови и цифрови шини. Използвайте LDO за аналоговите, превключващи/феритни филтри за цифровите.
• Доставяйте захранване на АЦП и други високоточни компоненти от възможно най-чистата шина.

6.2 Декуплиращи кондензатори за филтриране на шума

• Поставяйте комбинация от високочестотни (0,01–0,1 µF) и обемисти (1–10 µF) MLCC на всеки ИС.
• Минимизирайте площта на контура, като запазите проводниците от кондензатора до щифта възможно най-къси.

Стъпка 7: Ефективно трасиране на аналогови и цифрови линии

• Никога не пресичайте аналогови и цифрови линии —поддържайте слоево, отделено трасиране.
• Избягвайте трасиране на високочестотни линии над разделяния или прекъсвания в повръхността за връщане на тока или заземяване.
• Уравнявайте дължините на трасетата за високоскоростни/диференциални двойки; използвайте калкулатори за импеданс за прецизни ширини.

Стъпка 8: Прилагане на стратегии за термично управление

• Идентифицирайте компоненти, генериращи топлина (регулатори, драйвери с висок ток, процесори).
• Използвайте термични вия и отделни медни заливи (термични площадки), за отвеждане на топлината към вътрешни или противоположни слоеве.
• Предвидете принудителна въздушна вентилация, радиатори или дори вградени медни елементи, ако плътността на мощнотта е висока.

Стъпка 9: Синхронизиране на разпределението на часовниковия сигнал при подобряване на смесените схеми

• Разделяйте часовниковите сигнали с буфери с ниско разминаване.
• Провеждайте часовникови трасета чрез кратки, директни проводници, екранирани от заземляващи площи.
• Избягвайте часовникови трасета над прекъснати заземляващи площи – запазете непрекъснати референтни площи.

Стъпка 10: Прилагане на екраниране за управление на шума

• Използвайте Капаци по Фарадей , метални екраниращи капаци или плътни медни кутии за особено чувствителни аналогови/RF секции.
• Закачайте плътно заземляващи чрезходи около екранираните области и по ръбовете на платката.

Стъпка 11: Симулация на проекта на смесена многопластова PCB схема

• Използвайте инструменти за симулация на SI/PI (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI), за да анализирате:
  • Съпротивление и непрекъснатост
  • Диаграми на окото и джитър
  • Пулсации на захранването
  • Път на връщане и уязвимости към взаимни влияния

Стъпка 12: Подгответе и изтеглете производствените файлове

• Прегледайте и финализирайте чертежите на слоевете, ключови спецификации на материали (например, дебелина на медя диелектрични константи, типове вии).
• Гарантират контрол на импеданса и означенията за тестови точки са ясни в Gerber файловете.
• Добавете анотирани препратки за екраниране, виа стегване и термични виа.
• Включете подробен netlist и достъп до функционално тестване за двата домейна.

6. Разбиране на виите и тяхното влияние върху цялостта на сигнала

Виаси —малките вертикални връзки, които свързват слоевете в една смесена PCB платка —често се пренебрегват като причина за лошо цялостност на сигнала . Въпреки това, с увеличаване на тактовите честоти над стотици MHz или дори в GHz диапазона, структурата на виите оказва все по-голямо влияние върху неща като импеданс на предавателната линия, кросспойки и смущения в земята. За надеждна високоскоростна или аналогова производителност, разбирането и оптимизирането на характеристиките на виите е задължително.

Типове вии и тяхната роля в платките със смесени сигнали

Виите идват в различни формати, като всеки има специфично влияние върху качеството на сигнала:

Влияние на индуктивността и капацитета на преходните отвори

При типичен високоскоростна ПЛС , индуктивност на преходен отвор и капацитет са известни общо като паразитни елементи —непреднамерени странични ефекти, които изкривяват бързи сигнали. Тези ефекти са особено проблематични в контролиран импеданс (напр. 50 Ω единично, 100 Ω диференциални) среди.

Основни ефекти:

• Паразитна индуктивност причини:
  • По-бавни фронтове, спад на високочестотните компоненти
  • Отражения, преходно наднапрежение и резонанс
• Паразитна капацитивност причини:
  • Локални спадове в импеданса, изкривяване при бързи фронтове
  • Увеличена взаимна влияние между проходи или със съседни площи

Пример: Линия за данни 10 Gbps

Проход с 1 mm остатък (непрекъснат участък вътре в платката) може да предизвика резонанс на няколко GHz, сериозно изкривявайки сериен сигнал от 10 Gbps. Премахването или скъсяването на този остатък (чрез обратно свредлене или използване на слепи микропроходи) връща амплитудата на сигнала, ширината на окото и джитъра в границите на спецификациите.

Стратегии за оптимизация на проходите и сигнала

Оптимизирането на използването на проходи е едно от най-важните решения при високоскоростни и смесени PCB платки. Ето ключови препоръчителни практики:

• Минимизиране на броя проходи по всички критични високочестотни или чувствителни аналогови проводници.
• Използвайте микровии или къси слепи вии вместо дълги чрезходни вии при трасета над GHz+.
• Избягвайте ви стъбла :

• • Където е възможно, използвайте обратно свредлене, за да премахнете излишната част от ви барела под активния слой.
  • Или ограничавайте преходите на ви до „слой-към-слой“ без остатъчни опашки.

• Оптимизирайте разположението на виите :

• • Запазете симетрия в диференциалните двойки.
  • Поставяйте високочестотните вии близо до референтните заземени вии (шиване с вии), за да се минимизира площта на контура и да се осигурят пътищата за връщане.

• Близост до заземляващи площи за цифрови и смесени сигнали винаги поставяйте заземен виа до всеки сигнал, за да се намали риска от излъчвано ЕМИ.

Таблица: Ръководство за оптимизация на виа

Съображения за съотношението на страни при производството и SI

Степен на страните (дълбочина на преходното отворче към диаметър) влияе както на възможността за производство, така и на качеството на сигнала. Високите съотношения правят галванизирането ненадеждно (риск от празноти или отворени цилиндри) и повишават импеданса на прехода, особено при HDI проекти.

• Препоръчително съотношение на страни: ≤10:1 за стандартни чрезотвори; много по-ниско за микропреходи
• Случай на употреба: За PCB с дебелина 1,6 mm, минимален диаметър на виа свръзката 0,16 mm (6,3 mil) осигурява безопасно металопокритие

Пример от практиката: Микровиа спрямо чрезходови виа при високоскоростен сериен интерфейс

Проектиращ инженер в телекомуникационната сфера, който интегрира 12-слоен смесен сигнален бекплейн, замени старите чрезходови виа във връзка SerDes със скорост 6,25 Gbps със сляпи микровиа с обратно свредлене. Дрожта в окото намаля с 31%, електромагнитните влияния (при 5 GHz) се разполовиха, а проектът издържа първия кръг тестове за ЕМС – което доказва пряката полза за сигнала от модерна стратегия за виа.

Обобщение на най-добри практики

• Избирайте типове и структури на виа въз основа на цялостност на сигнала изискванията, технологичността и слоистата структура на платката.
• Моделирайте (с помощта на Ansys SIwave, HyperLynx или SI инструментите на Altium) всякакви рискове от свързаност, резонанс или отражение през виа – особено при линии над 500 Mbps или критични аналогови сигнали.
• Винаги балансирайте нуждите за целостта на сигнала с обратната връзка от производителя на PCB относно технологичността за надеждни конструкции.

7. Стратегии за заземяване при високоскоростни и смесени сигнали PCB

Правилно проектирана равнина на земята е тихият пазител на цялостността на сигнала във всяка високопроизводителна смесена PCB платка . Когато скоростта на цифровите сигнали нараства и аналоговата прецизност се увеличава, системата за заземяване става критичен обратен път за всеки сигнал, защита срещу ЕМИ и „нулеволтов“ референтен потенциал за всички аналогови и цифрови измервания. Въпреки това, дребни грешки в разположението на равнината за заземяване могат мълчаливо да подкопаят дори и най-напредналите проекти.

Ролята на равнините за заземяване в смесеносигнални PCB

В двете аналогови PCB и цифрови PCB подсистеми, равнината за заземяване изпълнява три основни функции:

• Път на връщане на сигнала: Осигурява нискотоомни, директни пътища между източника и товара както за високочестотни цифрови, така и за чувствителни аналогови сигнали.
• Подавяне на ЕМИ: Осигурява непрекъснат екран, който абсорбира и съдържа излъчваните емисии, ограничавайки както вътрешния взаимен шум, така и улавянето на външни смущения.
• Стабилност на референцията: Поддържа постоянен напрежен референтен потенциал, от съществено значение за АЦП интеграцията и точните аналогови измервания.

Най-добри практики за реализация на равнина за заземяване

1. Използвайте здрава, непрекъсната маса

• Посветете цял слой (или слоеве) изцяло на непрекъсната маса.
• Избягвайте рязане, процепи или сегментиране на този слой под сигнали.
  • Факт: Всеки процеп или прекъсване в масовия слой под високочестотен сигнал принуждава възвратните токове да заобикалят, което значително увеличава площта на контура, ЕМИ и чувствителността към шум.
• Поставяйте високочестотни и високорезолюционни аналогови вериги директно над тяхната референтна маса, за да съкратите възвратните "контури" и да минимизирате паразитната индуктивност.

2. Разделяне на аналогови и цифрови маси — с дисциплина

• За много смесени PCB е разумно да логически (не винаги физически) разделяте аналоговите и цифровите маси, като ги свързвате в една-единствена точка тип звезда —често директно в ADC или DAC. Това предотвратява шумни цифрови земни връщания, които биха могли да замърсят аналоговите референции.
• Използвайте физически разделяния само ако е необходимо ; никога не разделяйте без причина и винаги осигурявайте ниското импедансно „съединение“ в ключовите точки за преобразуване/интерфейс.
• Избягвайте дълги успоредни участъци от аналогови и цифрови земни проводници, които могат да действат като антени.

3. Съединявайте земните площи с виаси

• Използвайте виа съединяване около екранирани зони, ръбове на платката и до виасите на високочестотни сигнали. Плътно разположените (≤2 мм) земни виаси осигуряват ефективно ограничаване на ЕМИ и стягат пътя на връщане на сигнала.
• За диференциални или високочестотни двойки, пресичащи площи, осигурете земни виаси от двете страни на сигнален виа, за правилно насочване на тока при връщане.

4. Използвайте многослойни земни площи за критични приложения

• Многослойните PCB (например 4, 6 или повече слоя) винаги трябва да имат повече от една заземителна равнина за нискоомен връщащ ток и допълнителна екранировка. Помислете за подход „заземяване-сандвич“ с две заземителни равнини, обграждащи слой с сигнали.
• Примерно подреждане:  
  • Слой 2: Цялостно заземяване за цифрови сигнали
  • Слой 4: Заземяване за аналогови сигнали (свързано в звездната точка на ADC)
  • Слой 6: Заземяване към шаси или екраниране (за корпус или RF приложения)

Практически насоки за заземителни равнини — Таблица

8. Цялостност на захранването: Осигуряване на чиста мрежа за подаване на захранване

Проектиране за стабилност цялостност на захранването (PI) не е просто въпрос на подаване на напрежение към вашите устройства – това означава гарантиране, че всеки чувствителен аналогов вход, всеки високоскоростен цифров сигнал и всеки прецизионен конвертор винаги получават стабилно, свободно от шум захранване при всички реални условия на натоварване. При смесеносигналното проектиране на ПП, разпределение на мощността стратегиите са точно толкова критични за цялостност на сигнала колкото заземяването и контролът на импеданса.

Защо целостта на захранването е от значение при смесеносигнални PCB

Шумно или слабо мрежа за доставка на захранване (PDN) може да подкопае най-доброто аналогово или цифрово разположение. Помислете:

• Пулсациите на захранването могат директно да се свържат с ADC интеграция , намалявайки ефективната резолюция и SNR, както и причинявайки джитър в тактовите интерфейси.
• Скачкови спадове („спадове в земята“) от бързо цифрово превключване създават отскачане на земята или крос-ток, които аналоговите вериги могат да усилват или демодулират.
• Недостатъчно разцепващи конденсатори или неправилно поставени обемни кондензатори могат да позволят на захранващите напрежения да осцилират или резонират, потенциално нарушая логическите състояния и показанията на сензорите.

Стратегии за чисто доставяне на захранване

1. Отделни аналогови и цифрови захранващи домейни

• Използвайте отделни аналогови и цифрови шини, когато е възможно. Захранвайте аналоговия домейн чрез нискощумни линейни стабилизатори (LDO), докато за цифровите домейни могат да се използват високоефективни превключващи източници (SMPS).
• За критични сензори или високорезолюционни АЦП добавете допълнителен филтър за аналоговото захранване (LC или феритна баластна намотка + кондензатор).
• Физически разделете аналоговите и цифрови захранвателни площи или полета, за да изолирате още повече чувствителните секции.

2. Използване на анализ на PDN и целеви импеданс

• Дефинирайте и симулирайте мрежата за доставка на захранване (PDN) с помощта на Анализатор на PDN инструменти (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys и др.), за да се осигури стабилно напрежение до всички чипове при максимална промяна на товара.
• Задайте целеви импеданс (Z_target) за всяка шина. За съвременни логически схеми (шини 1,2 V, 1,8 V, 3,3 V) той може да бъде толкова нисък, колкото 10–20 mΩ за високотокови пътища.

3. Йерархично поставяне на декуплиращи кондензатори

• Поставете комбинация от MLCC (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) възможно най-близо до всеки захранващ извод — идеално директно под или до него чрез най-късия възможен път.
• Използвайте по-големи обемни кондензатори (10 μF, 22 μF, танталови или керамични), разпределени близо до групи ИС или при входа на захранването.
• За високочестотни цифрови ИС (FPGA, MCU, DDR) използвайте допълнително локално декуплиране, за да се намали шумът от едновременно превключване (SSO).

Пример: Таблица на декуплиращи кондензатори за смесеносигнална PCB

4. Минимизиране на импеданса и резонанса на равнината за захранване

• Максимизирайте дебелината (≥1 унция/кв. фут) и площта на медта за захранване при критични аналогови линии, за да се осигури ниско съпротивление.
• Поддържайте формите на равнините прости и непрекъснати. Избягвайте тесни шийки или разклонения, които повишават локалния импеданс.
• Трассирайте кратки, широки проводници от източника (регулатор) до товара, без да преминават през зони с висок шум.
• Избягвайте полагането на следи с висока скорост над шумни или разделени равнини за захранване, колкото се може повече.

5. Феритни бусини, LC филтри и изолация

• Поставете феритни бусини на входовете на аналоговите линии, за да блокират цифровия комутационен шум (напр. шум от ядрото на МКУ, тактови вериги).
• Използвайте LC Пи-мрежни филтри за ултра-нискошумни линии за АЦП или за възбуждане на сензори.

Пример от практиката: Отстраняване на шума при АЦП в смесена сигнален платка

Индустриален сензорен модул на IoT показва случайни скокове в аналоговите показания, когато безжичният предавател инициира високоскоростна предаване на данни. Анализът на PDN разкрива, че високите токове на превключване се свързват чрез споделена релси 3,3 V, което засяга референтния ADC. След добавяне на ферит, допълнително локално отделяне и отделяне на аналоговия VREF от цифровия VCC, SNR на ADC се подобрява с 22 dB и шумните пикове изчезват напълно.

9. - Какво? Проектиране за производителност и сътрудничество с производителите

Без значение колко сложен е вашият смесена PCB платка проектиране или колко задълбочено е вашето цялостност на сигнала в резултат на симулациите, успехът на вашата дъска в крайна сметка зависи от това колко добре може да бъде изградена, тествана и сглобена от избрания от вас производител. Проектиране за производство (DFM) и изкуството на сътрудничеството с производителите на PCB осигурява, че всички ваши амбиции за SI се превръщат безпроблемно в истински, надеждни хардуерни продукти.

Защо DFM е от решаващо значение за успеха на PCB и SI с смесени сигнали

Съвременните аналогово-цифрови PCB често използват компоненти с малка стъпка, HDI структури, прецизен контрол на импеданса, плътни масиви от вии и сложни разположения на захранване/маса. Ако проектът ви не осигурява изработка с високо качество при производство в голям мащаб или постоянно изисква преработка поради невъзможност за производство, всички ваши усилия за сигнален интегритет са напразни.

Основни DFM съображения за аналогово-цифрови и високоскоростни проекти

1. Структура и достъпност на материали

• Проверете предвидената структура на PCB с доставчика си преди фиксиране на разположението — попитайте за постижими брой слоеве, минимална дебелина на диелектрика и тегло на медта.
• Използвайте материали, които производителят има в наличност (FR-4, Rogers, ламинати с ниски загуби), които отговарят на вашите цели за сигнален интегритет: контролиран импеданс, нисък кросспол и висока изолация.
• Потвърдете симетрията на структурата (за намаляване на огъването), особено при високоскоростни и HDI платки.

2. Типове вии, съотношение на размерите и ограничения за свредлене

• Споделете изискванията на вашия проект за виите (чрез отвори, микровии, слепи/погребани) и се уверете, че вашият дизайн отговаря на възможностите за производство.
• Придържайте се към съотношения на страни ≤10:1 за чрезходни отвори или използвайте стъпаловидни/насипни микровии за HDI.
• Минимизирайте „специалната обработка“ (напр. задно свределене на остатъци), освен ако не е абсолютно необходима за SI – тъй като това увеличава разходите и може да намали добивността.

3. Контрол на импеданса — От симулация до реалност

• Съобщете целевите импеданси за всички предавателни линии (50 Ω, 100 Ω диф., и т.н.) и посочете геометрията на слоистата структура в бележките за производство.
• Поискайте тестови образци или проверки на импеданса по време на процеса, за да се потвърди, че критичните мрежи ще отговарят на спецификациите.
• Потвърдете възможностите на производителя за прецизно етковане, покритие и контрол на диелектрика.

4. Дебелина на медта, пръстеновиден контакт и ширина/разстояние на проводниците

• Задайте ширината/разстоянието на проводниците и дебелината на медта според насоките на IPC и ограниченията на производителя.
  • За чувствителни аналогови и захранващи вериги, използвайте мед с дебелина ≥1 oz/ft² за стабилно захранване и ниско падане на напрежението.
• Осигурете пръстени около виите (за надеждност на металопокритието), които отговарят на минималните изисквания на производителя.
• Проверете минималните разстояния на масата за лепене — особено в плътни области със смесени сигнали и BGA компоненти.

5. Достъп за тестване и проверка

• Включете тестови точки както за аналогови, така и за цифрови възли; координирайте се с вашия монтажен подизпълнител, за да се уверите, че приспособленията могат да достигнат всички критични мрежи, без да срещат високи компоненти, свързващи елементи или екраниращи кутии.
• Проектирайте за тестване по време на монтаж и функционално тестване — тези възможности често откриват проблеми с целостта на сигнала или грешки при монтажа.

Ефективно сътрудничество с производителите на PCB

• Споделяйте рано и често: Предоставяйте структура на слоевете, цели за импеданс, ключови разположения и карти на плътност на производителя възможно най-рано.
• Поискайте преглед по критерии за производимост (DFM): Поканете за обратна връзка относно всички „червени флагове“ (напр. непостроими чрез структури, ограничени разстояния на медта, предизвикателства с термалния контрол).
• Попитайте за процеси с добавена стойност: Някои производители предлагат собствено моделиране на SI, автоматизирана проверка на мрежовия списък или напреднали тестове/инспекции (като рентген за HDI).
• Съвместно прегледайте обратната връзка от прототипа: Анализирайте заедно първите образци за дефекти при леенето, неочаквана капацитивност/индуктивност или точки на прегряване при SI/EMI — и правете итерации по необходимост, преди мащабиране.

Контролен списък за DFM и сътрудничество с производителя

Реален пример: Подобряване на производствените добиви чрез DFM

Безжичен IoT хъб с 10-слоева смесена PCB платка пропадна при теста за импеданс на диференциалните USB линии по време на първото производство. Основната причина: неодобрени замести за специфицираните low-Dk преpregs доведоха до отклонение на импеданса от 100 Ω до 115 Ω, което наруши съответствието. Чрез директно сътрудничество с производителя, валидиране на всички материали и добавяне на документация за слоестата структура в Gerber файловете, проектът успя да издържи както SI, така и EMI/EMC тестовете в следващата партида — постигайки 100% добив.

10. Тестване на смесени PCB платки за надеждност

Изчерпателното тестване е последната защита за смесена PCB платка качество И цялостност на сигнала . Дори и най-прецизно разработените платки могат да имат производствени дефекти, проблеми със сигнала или непредвидени уязвимости в реални условия. Като приложите изчерпващи стратегии за валидиране, които обхващат както аналоговите, така и цифровите подсистеми, вие защитавате функционалността, съответствието и дългосрочната надеждност на продукта си.

Защо всеобхватното тестване е от решаващо значение

Платките със смесен сигнал уникално комбинират аналогова чувствителност и високоскоростно цифрово превключване – създавайки среда за тестване, в която дори минимални смущения или паразитни ефекти могат да предизвикат системни повреди. Недетектирани проблеми като колебания в земята, преходни процеси в захранването или джитър в тактовия сигнал могат да помрачат месеци разработки и да подкопаят устойчивостта в работна среда.

Основни видове тестове за платки със смесен сигнал

1. Функционален тест

• Цел: Потвърждава, че както аналоговата, така и цифровата електроника работят според проектните спецификации.
• Методи:  
  • Подаване на известни аналогови сигнали и проверка на преобразуващите функции на АЦП/ЦАП за линейност, съотношение сигнал-шум (SNR) и коефициент на хармонични изкривявания (THD).
  • Използвайте логически анализатори и тестери за протоколи, за да проверите цифровите шини (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) за правилно времетраене, прехвърляния без грешки и съответствие с протокола.
  • Прилагайте шаблони за обратна връзка и фърмуерни рутини за самостоятелна проверка при инициализация на платка.

2. Тест при експлоатационни натоварвания

• Цел: Разкрива скрити дефекти или уязвимости при смущения под влияние на екстремни температури, влажност и вибрации.
• Методи:  
  • Циклична промяна на температурата (напр. от –40 °C до +85 °C), с включено и изключено захранване.
  • Тестове при продължително висока влажност, особено важни за аналогови вход/изход или високоскоростни входове/изходи, изложени на околната среда.
  • Симулация на вибрации и ударни натоварвания – проследяване на прекъсвания на сигнала, колебания на земния потенциал или проблеми със сигнала, свързани със съединители.

3. Тест за съответствие с изискванията за ЕМИ/ЕМС

• Цел: Осигурява емисиите и чувствителността на платката да бъдат в рамките на регулаторните ограничения (FCC, CISPR, автомобилна, медицинска и др. индустрии).
• Методи:  
  • Излъчвани емисии: Сканиране на платката в безотражателна камера за измерване на ЕМИ от шумни тактови сигнали, бързи линии за данни и захранващи домейни.
  • Проводими емисии: Оценете дали шум се инжектира в захранващите линии на платката.
  • Тестване на имунитет: Облъчвайте платката с ВЧ енергия или ИСЕ импулси и потвърждавайте стабилна аналогова/дигитална работа.

Оборудване за тестване на смесени сигнали за PCB

Най-добри практики за тестова процедура

• Планирайте тестови точки в разположението: Включете достъп както за аналогови, така и за дигитални измервания — осигурявайки свободни области за осцилоскоп, логически пробник или RF измервания.
• Изпълнете SI/PI симулации преди производството: Потвърдете критичните мрежи във виртуалния прототип, преди да се премине към хардуера.
• Създаване на прототип, отстраняване на грешки и документация: Анализирайте ранните версии за несъответствия в SI (намаляване на окото, джитър, шум) и регистрирайте причините и стъпките за коригиране.
• Извършете изчерпателно тестване за съответствие: Дори продуктите без рейтинг печелят от EMI/EMC тестване, което често разкрива непредвидени SI проблеми, причинени от недостатъци в разположението, заземяването или екранирането.
• Наблюдение по време на първоначалното внедряване: Обратната връзка от реални условия е безценна за непрекъснатата валидация на SI, особено когато приложенията включват променяща се среда.