Jak může optimalizovaný návrh vícevrstvé desky plošných spojů zlepšit integritu signálu?

1. Úvod: Důležitost optimalizované integrity signálu při návrhu smíšeného signálu u vícevrstvých desek plošných spojů

V dnešní rychle se vyvíjející elektronické oblasti vedl požadavek na kompaktní a vysokovýkonné zařízení ke sloučení analogových i digitálních obvodů na jedinou desku se smíšeným signálem . Tyto desky napájejí vše, od chytrých průmyslových řídicích systémů až po automobilové infotainment systémy – a ve středu jejich funkce stojí jeden klíčový aspekt: integrita signálu .

Integrita signálu (SI) označuje kvalitu a spolehlivost elektrických signálů, když putují po tištěné desce plošných spojů. Pokud signál zachovává svůj zamýšlený tvar, napětí a časování během celé cesty, systém funguje podle očekávání. Nicméně při současném výskytu vysokorychlostních digitálních částí desky plošných spojů a citlivých analogových částí desky plošných spojů domény spolupracující na smíšeném výkonovém uspořádání, hrozby pro kvalitu signálu se násobí. Vysokofrekvenční přechody, spínací šum a parazitní jevy mohou degradovat signály – což vede k crossTalk , odezva uzemnění , elektromagnetickému rušení ( EMI ) a problémům s regulacemi, stejně jako ke zdlouhavým prodlevám při uvedení výrobku na trh.

Proč je integrita signálu tak důležitá u desek plošných spojů se smíšeným signálem?

Desky se smíšeným signálem čelí jedinečným výzvám integrity signálu, protože digitální obvody generují rychlé hrany, napěťové špičky a impulzní proudy, které mohou snadno znečistit analogové cesty. Náhodná špička na referenční rovina uzemnění nebo poškozený hodinový signál může znamenat nepřesné analogové údaje, neúspěšnou Integraci ADC nebo poškozené přenosy dat – což je obzvláště vážné u aplikací vyžadujících bezpečnostní certifikaci nebo vysoké rozlišení.

Přehledná tabulka: Proč je integrita signálu důležitá u desek plošných spojů se smíšeným signálem

Co tento průvodce obsahuje

V tomto podrobném průvodci se dozvíte:

• Základy desku se smíšeným signálem inženýrství
• Praktické osvědčené postupy pro správu SI (s klíčovými slovy jako řízená impedance , trasování diferenciálních párů , a strategie uzemnění )
• 12krokový proces pro maximalizaci výkonu a výrobní proveditelnosti
• Rozšířené pokrytí přechodových děr, vrstev, odrušovacích kondenzátorů a dalších prvků
• Tipy pro odstraňování problémů a příklady případů
• Nejnovější nástroje pro Simulaci SI a Analýza PDN

2. Co je návrh smíšeného signálu na desce plošných spojů?

A desku se smíšeným signálem je deska plošných spojů, která integruje analogové i digitální komponenty do jediného substrátu. Toto spojení umožňuje moderním zařízením propojit fyzický analogový svět s digitální doménou, což umožňuje vše – od IoT produktů bohatých na senzory až po pokročilé elektronické řídicí jednotky v automobilech.

Definice domén smíšeného signálu, analogových a digitálních desek plošných spojů

• Analogové desky plošných spojů zpracovávají spojité signály – například zvuk, teplotu nebo úrovně napětí. Tyto signály jsou velmi citlivé na rušení, přeslechy a malé výkyvy napětí.
• Digitální desky plošných spojů zpracovávají diskrétní logické signály (0 a 1). Ačkoli se mohou zdát odolné, digitální obvody – zejména ty vysoce rychlostní – jsou hlavními zdroji elektromagnetického rušení, kmitání uzemnění a současně spínajících výstupů (SSO).
• Návrh smíšeného signálu na deskách plošných spojů označuje uspořádání, kde musí tyto dva světy spolu koexistovat, což vyžaduje složitou pozornost věnovanou integrita signálu , uzemnění a problémům integrity napájení.

Typické aplikace desek plošných spojů se smíšeným signálem

Desky plošných spojů se smíšeným signálem tvoří základ mnoha kritických systémů, včetně:

• Průmyslová automatizace: Řízení v reálném čase s rozhraním senzorů vysoké přesnosti.
• Automobilové systémy: Zábavní systémy, správa baterií, ADAS a řízení motoru.
• Spotřební elektronika: Chytré telefony, nositelná zařízení, audiozařízení a kamery.
• Lékařské přístroje: Monitorovací přístroje pro pacienty, zobrazovací systémy a diagnostické vybavení.
• Komunikace: Směrovače, transceivery, SDR a vybavení pro vysokorychlostní sítě.

Tabulka: Příklady aplikačních případů smíšených signálových desek plošných spojů

Proč je návrh smíšeného signálového PCB náročný?

Hlavní výzvou je řízení integrita signálu , protože:

• Digitální obvody vytvářejí rychlé skoky napětí (vysoké dV/dt, vysoké di/dt), které vyvolávají rušení na sdílených uzemněních a napájecích sítích.
• Analogové obvody jsou náchylné k nízké úrovni rušení, i na úrovni mikrovoltů, což může způsobit SNR zhoršení (poměru signál-šum) a THD zhoršení (celkové harmonické zkreslení) v převodnících ADC.
• Hodinové signály (např. ty, které napájejí Integraci ADC ) a datové linky procházejí více doménami, čímž vznikají crossTalk , nepřetržitosti návratové cesty , a chyby časování.
• Špatně implementované strategie uzemnění a Vrstvení desky plošných spojů mohou tyto rizika zesílit, zejména u hustých vícevrstvých desek.

Porozumění klíčovým stavebním blokům smíšených signálů

Úspěšná deska plošných spojů se smíšenými signály dosahuje:

• Oddělení: Udržování analogových signálů volných od digitálního šumu prostřednictvím uspořádání, dělení uzemnění nebo ochranných kroužků.
• Spolehlivá konverze: Zajištění, aby vaše ADC (např. 12bitové nebo 16bitové) a DAC poskytovaly přesná data s nízkým jitterem pomocí čistého distribuce hodinového signálu sítě a optimalizované odrušení.
• Řízená impedance: Vynucení 50 Ω jednovedenkových nebo 100 Ω diferenciálních vedení pro vysokorychlostní spoje pomocí mikropáskové, pásma mezi vrstvami nebo koplanární vlnovodové struktury.
• Efektivní napájecí síť (PDN): Potlačení zvlnění a udržování stabilních napětí pomocí vhodných odrušovacích kondenzátorů a návrhu napájecích rovin.
• Ochrana a správa EMI: Použití propojovacích kontaktů (via stitching), výplně mědi nebo Faradayových klecí v klíčových citlivých oblastech.

3. Klíčové výzvy integrity signálu při zlepšování smíšeného signálu na deskách plošných spojů

Navržení robustního desku se smíšeným signálem je jemná rovnováha: vyžaduje pečlivou koordinaci analogové citlivosti a neúprosné aktivity digitální logiky na společném substrátu. Jakmile stoupají přenosové rychlosti a zvyšuje se hustota desek, zajištění robustní integrita signálu (SI) se stává nejen náročným – ale i nezbytným. Níže projednáme hlavní problémy s integritou signálu, které musí každý návrhář smíšených signálů na deskách plošných spojů řešit, aby dodal spolehlivé výkonné produkty.

1. Krosstalk a šumová vazba

Kdykoli vedou analogové a digitální vodiče blízko sebe, zejména na delších paralelních úsecích, rychle se měnící digitální signály indukují rušení do citlivých analogových vedení prostřednictvím vzájemné kapacity a indukčnosti – jev známý jako crossTalk . U vysokorychlostních návrhů to může způsobit významné chyby v analogových měřeních nebo poškození dat. Špatná trasování diferenciálních párů a nevyvážené impedance tento problém zhoršují.

2. Skoky napětí na zemi a smyčky uzemnění

Odezva uzemnění vzniká, když vysokorychlostní digitální výstupy přepínají současně, čímž dochází k náhlým posunům zemnícího napětí. Tyto posuny (současné přepínání výstupů, SSO) jsou obzvláště problematické tam, kde analogové a digitální části sdílejí celou nebo částečnou zemní rovinu. To má za následek nejen digitální časovací chyby, ale také ruší referenční napětí pro převodníky analog-digital, operační zesilovače a citlivé senzory.

Zemní smyčky vznikají, když existují vícecestné zpáteční dráhy uzemnění, které tvoří nežádoucí „antény“, jež mohou způsobit brum, oscilace nebo zachycování okolního elektromagnetického rušení (EMI). To činí strategie uzemnění —např. pečlivé uspořádání a spojení uzemnění v jednom bodě—nezbytnými pro desky se smíšeným signálem.

3. Rušení síťového rozvodu napájení (PDN)

Kmitání na napájecích kolejnicích, způsobené rychlým přepínáním zátěže (digitální obvody, řídicí obvody hodin), může generovat vlnění a špičky rušení, které se přímo navazují na analogové napájecí vedení nebo analogové referenční vstupy. Pokud děličové kondenzátory jsou nedostatečné, nesprávně umístěné nebo mají špatné vlastnosti ESR, kvalita napájení se zhoršuje. Nestabilní PDN nejen narušuje integritu signálu (SI), ale také ohrožuje rozlišení ADC (způsobuje jitter, ztrátu SNR i funkční chyby).

4. Diskontinuity impedance a poruchy návratové cesty

Vysokorychlostní digitální signály se chovají jako vedení s řízenou impedancí (obvykle mikropáskové nebo stripliniové), a jakákoli diskontinuita – například špatně navržené přechodové díry, konektory nebo rozdělené napájecí/zemní roviny – způsobí odrazy signálu, stojaté vlny a nesoulad impedance . Stejně tak musí být návratové cesty pro analogové i digitální signály krátké, přímé a bez rozdělení či odboček, jinak dojde k odrazům a ztráta signálu nastat.

Tabulka: Běžné poruchy a jejich dopady

5. Výzvy EMI/EMC

Elektromagnetické rušení (EMI) a elektromagnetická kompatibilita (EMC) jsou komplexní výzvy, zejména u smíšených obvodů. Rychlé digitální obvody s ostrými hranami působí jako zdroje EMI, zatímco analogové senzory, RF vstupy a ADC jsou náchylné k rušení – tzv. „oběti“. Nedostatečné obranná vrstva , špatné uspořádání rovin a nedostatek propojovacích via mohou proměnit desku plošných spojů v vysílací anténu, což ohrožuje úspěšné složení regulační certifikace.

6. Problémy s časováním signálů a distribucí hodinového signálu

Nepravidelné distribuce hodinového signálu nebo nadměrné hodinové jitry mohou způsobit časové nesrovnalosti (zkosení) mezi jednotlivými oblastmi, což vede k nepředvídatelné latenci, metastabilitě a chybám při vzorkování dat – zejména při přechodu mezi hodinovými doménami aD převodníky a DA převodníky jsou obzvláště náchylné ke šumu a mazání hodinového signálu, což zhoršuje efektivní šířku pásma a přesnost.

7. Nedostatečná simulace a analýza před osazením desky

Moderní složitost desek plošných spojů činí riskantním postup „bez plánu“ bez specializované Simulaci SI a analýzy integrity napájení (PI) simulační nástroje (jako HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) umožňují návrháři předvídat a opravovat jemné problémy – jako rozdíly v délce spojů, nespojitosti vracených cest, parazitní kapacitu a horké body teploty – již dlouho před výrobou.

4. Osvědčené postupy a klíčové aspekty

Návrh desku se smíšeným signálem s vynikajícími integrita signálu vyžaduje jemný, komplexní přístup. Každé rozhodnutí – od pořadí vrstev až po distribuci napájení – může ovlivnit konečný výkon desky ve skutečném provozu. V této části objevíte zásadní, prakticky použitelné postupy, které řeší jak základy návrhu, tak pokročilé techniky integrace analogových a digitálních obvodů.

1. Plánujte dělení desky včas

Jasné funkční oddělení je životně důležité. Přidělte vyhrazené oblasti pro analogových částí desky plošných spojů a digitálních částí desky plošných spojů obvody během zachycování schématu a rozvržení plošných spojů. Fyzická vzdálenost výrazně snižuje šumovou vazbu, kmitání země a přeslechy mezi doménami. Pravidlo palce: nikdy neprovozujte digitální hodinové nebo vysokorychlostní datové signály pod nebo v blízkosti citlivých analogových komponent.

Klíčové akce:

• Umístěte ADC, senzory a analogové zesilovače co nejdále od oscilátorů, FPGA, spínacích regulátorů a vysokofrekvenčních krystalových zdrojů.
• Orientujte hlavní digitální datové sběrnice tak, aby byly kolmé na kritické analogové signální cesty, čímž omezíte kapacitní vazbu.

2. Optimalizujte vrstvy vaší desky plošných spojů

Vrstvení desky plošných spojů ovlivňuje všechno od odolnosti proti EMI až po kontrolu impedance. Použijte strukturu vrstev, která uzavře vrstvy s vysokorychlostními signály mezi pevné, nepřerušované uzemnění (a tam, kde je potřeba, napájecí) roviny. To nejen vytváří transmisní linky s řízenou impedancí, ale také umožňuje krátké, přímé návratové cesty pro rychlé přechodné proudy.

3. Hlavní strategie uzemnění

Uzemnění je základem integrity signálů u smíšených signálů. Obecně existují dva přístupy:

• Jednobodové uzemnění (hvězdicové): Vyhrazený spoj spojuje analogové a digitální návraty řízeným způsobem – obzvláště účinné u návrhů pro nízké a střední frekvence.
• Kontinuální uzemňovací rovina: U návrhů pro vyšší rychlosti/frekvence nabízí pevná, souvislá měděná rovina s pečlivým dělením (pokud je třeba) nejkratší návratové dráhy a nejnižší generování EMI.

Nejlepší techniky uzemnění pro smíšené desky:

• Vyhněte se zemním smyčkám tím, že zajistíte jedinou návratovou cestu pro každou obvodovou funkci.
• Nerozdělujte uzemňovací roviny bezdůvodně. Rozdělte pouze v případě naprosté nutnosti a vždy je spojte v jediném bodě s nízkou impedancí pod ADC nebo hlavním měničem.
• Použijte ochranné kruhy nebo výplně mědi kolem analogových vedení s vysokou impedancí a kritických analogových obvodů, aby byly dále odstíněny.

4. Řízení impedance a použití diferenciálních párových tras

Trasy pro vysokorychlostní digitální signály musí být vedeny jako řízená impedance linky, přizpůsobené požadavkům rozhraní (typicky 50 Ω nevyvážené, 100 Ω diferenciální). To minimalizuje odrazy signálu a stojaté vlny. U diferenciálního signálování (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) je zásadní dodržení rozestupu a vyrovnání délky tratí.

5. Zajistěte spolehlivé rozvody napájení a odrušení

SVOU síť rozvodu napájení (PDN) vyžaduje pečlivý technický přístup.

• Použijte samostatné regulátory nebo filtrované domény pro analogové a digitální napájecí linky. Pro analogové obvody nízkošumové LDO (lineární stabilizátory), pro digitální zátěže spínané zdroje (SMPS), dle potřeby filtrované.
• Strategicky umisťujte odrušovací kondenzátory (včetně více hodnot pro filtraci na vysoké/nízké frekvence) co nejblíže ke svorkám napájení integrovaných obvodů. Používejte kondenzátory s nízkým ESR a kombinujte keramické MLCC (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF atd.).
• Použijte feritové kroužky nebo malé izolační tlumivky mezi analogovými a digitálními plochami/vodiči.

Příklad tabulky odrušení

6. Zvýšená pozornost správě EMI/EMC

Použijte vícevrstvý přístup:

• Používejte stínící kanystry a kovové skříně pro vysoce rizikové analogové a RF části.
• Propojení pomocí propojek (pravidelně rozmístěné zemní vías) kolem analogových částí a podél okrajů desky zajistí návratové proudy a sníží „únik“ EMI.
• Pečlivé vedení hodinového signálu hodinové signály by měly být krátké, vést se mimo analogové oblasti a být stíněné sousedními uzemněnými stopami nebo rovinami. Vyhněte se vedení hodinových signálů přes rozdělené nebo přerušované uzemněné oblasti, aby nedocházelo k vyzařování.

7. Ověření pomocí simulačních nástrojů a kontrol DFM

Neuhadujte – proveďte simulaci! Použijte Simulaci SI a Analyzátory PDN nástroje (např. HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity nebo vestavěné nástroje v Altium/OrCAD) pro vyhodnocení:

• Oka signálu (eye diagram)
• Předpovědi diafonie (crosstalk)
• Integrita zpětné cesty signálu
• Změny napětí na napájecích a uzemněných rovinách
• Teplotní horké body / správa tepla

5. 12 kroků k optimalizovanému efektivnímu návrhu desky plošných spojů pro smíšené signály

Ovládání integrita signálu s praktickým, postupným procesem, který je základem návrhu desek plošných spojů pro smíšené signály které spolehlivě fungují za reálných provozních podmínek. Níže popisujeme 12 ověřených kroků – každý z nich odráží osvědčené postupy průmyslu, běžné chyby a praktické inženýrské know-how.

Krok 1: Včasné oddělení analogových a digitálních částí

1.1 Identifikace analogových a digitálních oblastí

• Prostudujte své schéma, abyste zařadili komponenty jako čistě analogové, digitální nebo smíšené (např. ADC, DAC, CODEC).
• Označte funkci každého obvodu: nízkofrekvenční analogový signál, digitální logika, vysokorychlostní hodinové signály atd.

1.2 Strategické umístění

• Fyzicky izolovat analogové a digitální oblasti na desce plošných spojů.
• Vedzte analogové signály mimo digitální sběrnice a vyhýbejte se vedení digitálních stop pod analogovými integrovanými obvody.
• Použijte potisk nebo měděné značení k označení hranic, což usnadní montáž a odstraňování závad.

Krok 2: Výběr součástek s vhodnými rozhraními

Při integraci různých subsystémů výběr správného protokolu rozhraní zlepšuje jak výkon a integrita signálu .

Běžná rozhraní a vhodné případy použití

Krok 3: Vylepšení funkce ADC pro přesné měření

3.1 Vyberte správný ADC pro daný úkol

• Považujte klíčové specifikace ADC rozlišení (12, 16, 24 bitů), SNR, THD, maximální vzorkovací frekvence, vstupní impedance, stabilita referenčního napětí.
• Vyberte architekturu vhodnou pro danou aplikaci: SAR, Sigma-Delta nebo Pipeline ADC.

3.2 Zajistěte stabilní hodiny a izolujte zdroje rušení

• Použijte oscilátory s nízkým jittem. Jitt hodin snižuje efektivní počet bitů (ENOB) u rychlých ADC.
• Fyzicky oddělte stopy hodin od rušivých digitálních sběrnic.
• Decouplujte napájení ADC pomocí kondenzátorů s nízkým ESR.

3.3 Udržujte čisté referenční napětí

• Umístěte referenční kondenzátory (10–100 µF plus keramické 0,1 µF) co nejblíže pinu Vref ADC.
• Ochranné kruhy kolem referenčních vedení dále snižují vazbu rušení.

Krok 4: Navrhněte efektivní vrstvení desky plošných spojů

Pečlivě navržený Vrstvení desky plošných spojů tvoří základ úspěchu smíšených signálů.

• Umístěte vrstvy vysokorychlostních signálů vedle plných referenčních rovin.
• Vyhněte se dělení uzemnění nebo napájecích rovin pod vedenými signály.
• Zachovejte symetrii ve vrstvách, aby se minimalizovalo prohnutí/krácení a podpořilo potlačení přeslechů.

Krok 5: Implementace účinných strategií uzemnění

• Jednopólové připojení mezi analogovým a digitálním uzemněním (obvykle u ADC).
• Použijte pevné, široké měděné výplně oblouky pro zemní cesty – minimalizujte odpor a indukčnost.
• Používat ochranné stopy a měděné výplně kolem citlivých analogových signálů.

Krok 6: Optimalizace rozvodu napájení a odrušení

6.1 Použití vyhrazených napájecích zdrojů

• Oddělené analogové a digitální napájecí vodiče. Pro analogové použijte LDO, pro digitální spínané napájení/filtrace feritovými jádry.
• Napájejte ADC a další přesné komponenty z co nejčistějšího napájecího vodiče.

6.2 Odrušovací kondenzátory pro filtrování rušení

• Umístěte kombinaci vysokofrekvenčních (0,01–0,1 µF) a objemových (1–10 µF) keramických kondenzátorů MLCC ke každému integrovanému obvodu.
• Minimalizujte plochu smyčky tím, že budou spoje od kondenzátoru ke kontaktu co nejkratší.

Krok 7: Efektivně vedení analogových a digitálních spojů

• Nikdy nekřižujte analogové a digitální spoje —udržujte vrstvené, oddělené vedení.
• Vyhněte se vedení vysokorychlostních spojů přes rozdělení nebo mezery návratového proudu v zemní rovině.
• Vyvažujte délky spojů pro vysokorychlostní/diferenciální páry; použijte kalkulátory impedance pro přesné šířky.

Krok 8: Implementace strategií tepelného managementu

• Identifikujte součástky generující teplo (regulátory, řídicí obvody s vysokým proudem, procesory).
• Použití tepelné průchodové otvory a vyhrazené měděné výplně (tepelné plošky) pro odvod tepla do vnitřních nebo opačných vrstev.
• Zvažte nucené chlazení vzduchem, chladiče nebo dokonce vestavěné měděné prvky, pokud je hustota výkonu vysoká.

Krok 9: Synchronizace distribuce hodin a vylepšení mixed-signal návrhů

• Rozvádějte hodinové signály pomocí nízkodistortních bufferů.
• Vedete hodinové signály po krátkých, přímých spojích, které jsou stíněny uzemněnými plochami.
• Vyhněte se vedení hodinových signálů nad roztrženým uzemněním – udržujte nepřetržitou referenční rovinu.

Krok 10: Implementace stínění pro řízení rušení

• Použití Faradayovy klece , kovové stínící krabičky nebo pevné měděné krabice pro obzvláště citlivé analogové/RF části.
• Duté přechodové díry zapájejte hustě kolem stíněných oblastí a podél okrajů desky.

Krok 11: Simulace návrhu vícevrstvé desky se smíšeným signálem

• Použijte nástroje pro simulaci integrity signálu a napájecího proudu (SI/PI) (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) k analýze:
  • Spojitost impedance
  • Oční diagramy a rozkmitání
  • Pulsační napětí
  • Zpětná cesta a zranitelnost vůči diafónii

Krok 12: Příprava a stažení výrobních souborů

• Zkontrolujte a definitivně potvrďte výkresy vrstev, klíčové specifikace materiálů (např. tloušťka mědi , dielektrické konstanty, typy přechodových děr).
• Zajišťují řízení impedance a označení testovacích bodů jsou jasná ve vykresleních Gerber.
• Přidejte anotované odkazy pro stínění, propojování přes přechodové díry a tepelné přechodové díry.
• Zahrňte komplexní výpis spojů a přístup k funkčnímu testu pro oba domény.

6. Pochopení přechodových děr a jejich vliv na integritu signálu

Vias —malé vertikální spoje, které propojují vrstvy v desce desku se smíšeným signálem —jsou často opomíjeny jako příčina špatného integrita signálu . Jakmile však takty dosahují stovek MHz nebo dokonce GHz, má struktura vývodu stále výraznější vliv na všechno od impedance přenosové linky až po diafózní rušení a kmitání země. Pro spolehlivý vysokorychlostní nebo analogový výkon je nezbytné porozumět charakteristikám vývodů a optimalizovat je.

Typy vývodů a jejich role na smíšených deskách

Vývody existují v různých formátech, každý s konkrétním dopadem na kvalitu signálu:

Vliv indukčnosti a kapacitance vodivého přechodu

Při typickém vysokorychlostní PCB , indukčně a kapacita jsou souhrnně označovány jako parazitní prvky —neúmyslné vedlejší účinky, které deformují rychlé hranové signály. Tyto efekty jsou obzvláště problematické v řízená impedance (např. 50 Ω nevyvážené, 100 Ω diferenciální) prostředích.

Hlavní efekty:

• Parazitní indukčnost příčiny:
  • Pomalejší hrany, pokles na vysokých frekvencích
  • Odrazy, překmity signálu a kmitání
• Parazitická kapacita příčiny:
  • Místní poklesy impedance, zkreslení na rychlých hranách
  • Zvýšená vzájemná interference mezi přechodovými dírami nebo s přilehlými rovinami

Příklad: datová linka 10 Gbps

Přechodová díra se stopkou 1 mm (nezapojený konec uvnitř desky plošného spoje) může vyvolat rezonanci v několika GHz, což silně deformuje sériový signál 10 Gbps. Odstranění nebo zkrácení této stopy (zpětné vyvrtání nebo použití slepých mikrodierek) vrátí amplitudu signálu, šířku oka a časové tichtání zpět do specifikací.

Strategie optimalizace přechodových děr a integrity signálu

Optimalizace použití přechodových děr patří mezi rozhodnutí s nejvyšším dopadem při návrhu vysokorychlostních a smíšených desek plošných spojů. Níže jsou uvedeny klíčové osvědčené postupy:

• Minimalizujte počet přechodových děr podél všech kritických vysokorychlostních nebo citlivých analogových tras.
• Používejte mikrodiery nebo krátké slepé přechodové díry namísto dlouhých průchozích děr u tras v oblasti GHz a vyšších.
• Vyhněte se použití krátkých přechodových kontaktů :

• • Pokud je to možné, použijte zpětné vrtání k odstranění nadbytečného těla přechodového kontaktu pod aktivní vrstvou.
  • Nebo omezte přechody mezi vrstvami na „vrstva-ke-vrstvě“ bez osamoceného koncového úseku.

• Optimalizujte umístění přechodových kontaktů :

• • Zachovejte symetrii u diferenciálních párů.
  • Udržujte přechodové kontakty pro vysokorychlostní signály blízko referenčních uzemňovacích přechodů (tzv. šití mřížky přechodů), čímž minimalizujete plochu smyčky a podpoříte návratové dráhy signálu.

• Blízkost k uzemňovacím rovinám : Pro digitální a smíšené signály vždy umisťujte uzemňovací přechodový kontakt poblíž každého signálového přechodu, čímž snížíte riziko vyzařované EMI.

Tabulka: Směrnice pro optimalizaci přechodových kontaktů

Zohlednění poměru stran pro výrobnost a integritu signálu (SI)

Poměr stránek (poměr hloubky dírky via k průměru) ovlivňuje jak výrobnost, tak kvalitu signálu. Vysoké poměry stran ztěžují spolehlivé natení (riziko dutin nebo přerušených stěn) a zvyšují impedanci via, zejména u HDI návrhů.

• Doporučený poměr stran: ≤10:1 pro standardní skrz-díry; mnohem nižší pro mikrovia
• Případ použití: U desky s tloušťkou 1,6 mm umožňuje minimální průměr vrtání via 0,16 mm (6,3 mil) bezpečné natení

Příklad případu SI: Mikrovia vs. Skrz-díra u vysokorychlostního sériového spoje

Návrhář telekomunikačního zařízení, který integroval 12vrstvou smíšenou základní desku, nahradil starší skrz-díry u páru SerDes s rychlostí 6,25 Gbps slepými mikrovias s vyvrtáním dna. Rozkmit okenního diagramu se snížil o 31 %, diafonie (při 5 GHz) klesla na polovinu a návrh úspěšně projel prvním kolem testování elektromagnetické interference – což potvrzuje přímý přínos moderní strategie via pro integritu signálu.

Souhrn osvědčených postupů

• Volba typů a struktur vývrtů na základě integrita signálu požadavků, výrobních možností a vrstvení desky.
• Nasimulujte (pomocí Ansys SIwave, HyperLynx nebo SI nástrojů Altia) rizika vazby, rezonance či odrazů mezi vývrtky – zejména u linek nad 500 Mbps nebo kritických analogových signálů.
• Vždy vyvažujte požadavky na integritu signálu s hodnocením výrobních možností (DFM) od výrobce desky pro spolehlivou výrobu.

7. Strategie uzemnění pro vysokorychlostní a smíšené signálové DPS

Řádně navržené rovina uzemnění uzemnění je tichým strážcem integrity signálu ve všech vysokovýkonnostních DPS. desku se smíšeným signálem jakmile digitální rychlosti rostou a analogová přesnost se zvyšuje, uzemňovací systém se stává kritickou návratovou cestou pro každý signál, stíněním proti EMI a referencí „nulového napětí“ pro všechna analogová i digitální měření. Přesto drobné chyby v rozložení uzemňovací roviny mohou potichu znehodnotit i ty nejpokročilejší návrhy.

Role uzemňovacích rovin ve smíšených signálových DPS

V obou případech analogových částí desky plošných spojů a digitálních částí desky plošných spojů subsystémy, zemnící rovina plní tři zásadní funkce:

• Návratová cesta signálu: Zajišťuje nízkoimpedanční, přímé spojení mezi zdrojem a zátěží pro vysokorychlostní digitální i citlivé analogové signály.
• Potlačení EMI: Poskytuje nepřetržitou stínící vrstvu, která pohlcuje a obsahuje vyzařované emise, čímž omezuje jak vnitřní dialektiku, tak příjem externích rušivých signálů.
• Stabilita reference: Udržuje konzistentní napěťovou referenci, což je klíčové pro integraci ADC a přesná analogová měření.

Doporučené postupy pro implementaci zemnící roviny

1. Použijte pevnou, nepřerušovanou zemnící rovinu

• Vyhraďte celou vrstvu (nebo vrstvy) pro nepřerušované uzemnění.
• Vyhněte se řezání, drážkování nebo dělení této roviny pod signálními stopami.
  • Fakt: Jakýkoli otvor nebo přerušení v rovině uzemnění pod vysokorychlostní stopou nutí návratové proudy obcházet, čímž se výrazně zvětší plocha smyčky, elektromagnetické rušení (EMI) a citlivost na šum.
• Umísťujte vysokorychlostní a vysoce přesné analogové obvody přímo nad jejich referenční uzemnění, čímž zkrátíte návratové „smyčky“ a minimalizujete parazitní indukčnost.

2. Oddělte analogové a digitální uzemnění – s důsledností

• U mnoha smíšených desek plošných spojů je rozumné logicky (ne vždy fyzicky) oddělit analogové a digitální uzemnění a spojit je v jediném hvězdicovém bodě — často přímo u ADC nebo DAC. Tím se zabrání tomu, aby hlučné návratové proudy z digitálního uzemnění znečišťovaly analogové reference.
• Používejte fyzické rozdělení pouze v případě potřeby ; nikdy nerozdělujte bez důvodu a vždy zajistěte nízkoimpedanční „most“ v klíčových místech přeměny/rozhraní.
• Vyhněte se dlouhým paralelním vedením analogových a digitálních uzemnění, která mohou působit jako antény.

3. Propojujte uzemňovací roviny pomocí propojek

• Použití propojení pomocí propojek kolem stíněných zón, okrajů desky a vedle přechodů rychlých signálů. Hustě rozmístěné (≤2 mm) uzemňovací propojky zajišťují účinné potlačení EMI a zkracují smyčku návratu signálu.
• U diferenciálních nebo rychlých párových vedení přecházejících mezi rovinami zajistěte, aby byly po stranách přechodů signálů umístěny uzemňovací propojky pro správné vedení návratového proudu.

4. Použijte vícevrstvé uzemňovací roviny pro kritické aplikace

• Vícevrstvé desky plošných spojů (např. 4, 6 nebo více vrstev) by měly mít vždy více než jednu uzemňovací rovinu pro nízkoimpedanční návrat a dodatečné stínění. Zvažte konstrukci typu „sendvič s uzemněním“, kdy dvě uzemňovací roviny obklopují vrstvu signálů.
• Příklad uspořádání vrstev:  
  • Vrstva 2: Plná uzemňovací rovina pro digitální část
  • Vrstva 4: Analogové uzemnění (propojeno v hvězdicovém bodě ADC)
  • Vrstva 6: Uzemnění kostry nebo stínění (pro pouzdra nebo RF aplikace)

Praktické pokyny pro roviny uzemnění — Tabulka

8. Integrity napájení: Zajištění čisté sítě napájení

Navrhování pro odolnost integrita napájení (PI) nejde pouze o dodávání napětí do vašich zařízení – jde o zajištění, že každý citlivý analogový vstup, každý vysokorychlostní digitální signál a každý přesný převodník bude mít za každých reálných podmínek zatížení k dispozici bezproblémové a stabilní napájení. U smíšeného signálového návrhu DPS jsou rozvod energie strategie stejně důležité jako integrita signálu uzemnění a řízení impedance.

Proč je integrita napájení důležitá u smíšených DPS

Hlučná nebo slabá síť napájení (PDN) může podkopat i ten nejlepší analogový nebo digitální obvod. Zvažte:

• Zvlnění napájecího zdroje se může přímo vazat na Integraci ADC , čímž se snižuje efektivní rozlišení a poměr signálu k šumu (SNR) a způsobuje se tikání na taktovaných rozhraních.
• Dočasné poklesy („ground dips“) způsobené rychlým digitálním přepínáním vytvářejí odezva uzemnění nebo přeslechy, které analogové obvody mohou zesilovat nebo demodulovat.
• Nedostatek děličové kondenzátory nebo špatně umístěné blokovací kondenzátory mohou umožnit kmitání nebo rezonanci napěťových hladin, což může poškodit logické stavy a odečty senzorů.

Strategie pro čisté dodávání napájení

1. Oddělení analogových a digitálních napájecích domén

• Kdekoliv je to možné, používejte samostatné analogové a digitální napájecí hladiny. Analogovou doménu napájejte ze stabilizátorů s nízkým šumem (LDO), zatímco pro digitální domény lze použít spínané zdroje s vysokou účinností (SMPS).
• Pro kritické senzory nebo vysokopřesné ADC přidejte další filtr analogového napájení (LC nebo feritový kroužek + kondenzátor).
• Fyzicky oddělte analogové a digitální napájecí roviny nebo plochy, aby se dále izolovaly citlivé části.

2. Použijte analýzu PDN a cíle impedance

• Definujte a simulujte svou PDN pomocí Analyzátory PDN nástrojů (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys atd.) a zajistěte tak, že všechny čipy obdrží stabilní napětí při maximálním skoku zatížení.
• Stanovte cílovou impedanci (Z_cíl) pro každou kolejnici. U moderní logiky (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V) může být u cest s vysokým proudem nízká až 10–20 mΩ.

3. Vrstvené umístění odrušovacích kondenzátorů

• Umístěte kombinaci keramických vícevrstvých kondenzátorů (MLCC) (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) co nejblíže ke každému napájecímu pinu – ideálně přímo pod nebo vedle něj po nejkratší možné trase.
• Použijte větší blokové kondenzátory (10 μF, 22 μF, tantalové nebo keramické) rozložené v blízkosti shluků integrovaných obvodů nebo na vstupu napájení.
• U rychlých digitálních integrovaných obvodů (FPGA, MCU, DDR) použijte dodatečné lokální odrušení, aby se snížil šum způsobený současným spínáním (SSO).

Příklad: Tabulka odrušovacích kondenzátorů pro smíšené signály na desce plošných spojů

4. Minimalizujte impedanci a rezonanci napájecí roviny

• Maximalizujte tloušťku (≥1 uncí/ft²) a plochu měděných spojů napájení pro kritické analogové vedení za účelem dosažení nízkého odporu.
• Udržujte tvar roviny jednoduchý a nepřerušovaný. Vyhněte se úzkým hrdlům nebo výběžkům, které zvyšují lokální impedanci.
• Ved te krátké, široké spoje od zdroje (regulátoru) ke spotřebiči, aniž byste procházeli oblastmi s vysokým rušením.
• Kdykoli je to možné, vyhněte se kladení vysokorychlostních signálních stop přes rušivé nebo rozdělené napájecí roviny.

5. Ferritové jádra, LC filtry a izolace

• Přidejte ferritová jádra na vstupy analogových napájecích vedení, aby se blokovalo rušení z digitálního spínání (např. rušení jádra MCU, hodinových obvodů).
• Použijte LC Pi-filtrové sítě pro napájení ADC nebo buzení senzorů s extrémně nízkým šumem.

Případová studie: Odstranění šumu ADC na smíšeném signálovém desce

Modul průmyslového IoT senzoru vykazoval náhodné špičky v analogových odečtech, když vysílač bezdrátové komunikace zahájil přenos datové rychlosti. Analýza PDN odhalila, že vysoké spínací proudy pronikají sdílenou 3,3V linkou, což ovlivňuje referenci ADC. Po přidání ferritového jádra, dodatečné lokální dekuplovací kondenzátory a oddělení analogové reference VREF od digitálního napájení VCC se vylepšil poměr signálu k šumu (SNR) ADC o 22 dB a šumové špičky úplně zmizely.

9. Návrh s ohledem na výrobní realizovatelnost a spolupráci s výrobci

Ať už je váš desku se smíšeným signálem návrh sebelepší nebo vaše analýzy důkladné integrita signálu simulací záleží nakonec úspěch vaší desky na tom, jak dobře ji lze postavit, otestovat a sestavit vybraným výrobcem. Návrh pro výrobu (DFM) —a umění spolupráce s výrobci plošných spojů—zajistí, že se všechny vaše ambice týkající se integrity signálu bezproblémově promění v reálný, spolehlivý hardware.

Proč je DFM klíčové pro úspěch smíšeného signálu na DPS a integrity signálu

Moderní desky plošných spojů se smíšeným signálem často používají součástky s jemným roztečením, HDI vrstvení, přesnou kontrolu impedance, hustá pole kontaktů a náročná uspořádání napájení/země. Pokud se vaše konstrukce nebude dát ve velkém měřítku vyrobit s vysokou kvalitou nebo bude opakovaně vyžadovat dodatečné opravy kvůli nevyrábětelným prvkům, pak jsou všechny vaše úsilí o integritu signálu ztracena.

Klíčové aspekty DFM pro návrhy se smíšeným signálem a vysokou rychlostí

1. Vrstvení a dostupnost materiálů

• Ověřte si zamýšlené vrstvení DPS u svého dodavatele před uzamčením uspořádání—ptejte se na dosažitelný počet vrstev, minimální tloušťku dielektrika a hmotnosti mědi.
• Používejte materiály, které dílna standardně skladuje (FR-4, Rogers, lamináty s nízkými ztrátami), a které splňují vaše požadavky na integritu signálu, jako je řízená impedance, nízká diafonie a vysoká izolace.
• Ověřte symetrii vrstvení (za účelem minimalizace deformací), zejména u desek pro vysokorychlostní a HDI aplikace.

2. Typy přechodových děr, poměr stran a omezení vrtání

• Sdílejte požadavky vašeho projektu požadavky na přechodové díry (průchozí, mikro-přechodové, slepé/pohřbené) a zajistěte, aby váš návrh odpovídal možnostem výrobce.
• Dodržujte poměr stran ≤10:1 u průchozích děr nebo použijte posunuté/navrstvené mikropřechodové díry u HDI.
• Minimalizujte „zvláštní operace“ (např. odvrtávání pahýlů), pokud nejsou naprosto nezbytné pro integritu signálu – protože zvyšují náklady a mohou snižovat výtěžnost.

3. Řízení impedance – od simulace do reality

• Komunikujte cílové impedance pro všechny přenosové linky (50 Ω, 100 Ω diferenciální atd.) a ve svých poznámkách pro výrobu uveďte odkaz na geometrii vrstev.
• Vyžadujte testovací kupóny nebo kontrolu impedance během výrobního procesu, abyste ověřili, že kritické sítě budou splňovat specifikace.
• Ověřte si možnosti výrobce ohledně přesného leptání, mědění a kontroly dielektrika.

4. Tloušťka mědi, prstencová ploška a šířka/vzdálenost spojů

• Šířku/vzdálenost spojů a tloušťku mědi nastavte podle směrnic IPC a omezení výrobce.
  • U citlivých analogových a napájecích spojů zvažte použití mědi ≥1 uncí/ft² pro robustní PI a nízký úbytek napětí.
• Zajistěte dostatečnou velikost prstencových plošek kolem vodivých přechodů (pro spolehlivost mědění) podle minimálních hodnot výrobce.
• Ověřte minimální vzdálenosti od masky pro pájení – zejména v hustých oblastech smíšených signálů a BGA.

5. Přístup pro testování a sondování

• Zahrňte testovací body na analogové i digitální uzly; spolupracujte se svým montážním dodavatelem, abyste zajistili dostupnost všech kritických sítí pro fixtury bez překážek vysokých součástek, konektorů nebo stínících krytů.
• Návrh pro vnitřní a funkční testování – tyto možnosti často odhalí chyby v oblasti SI nebo montáže.

Efektivní spolupráce s výrobci desek plošných spojů

• Sdílejte co nejdříve a pravidelně: Poskytněte výrobci uspořádání vrstev, cíle impedance, klíčová uspořádání a mapy hustoty tak brzy, jak to jen bude možné.
• Vyžádejte si kontrolu DFM: Pozvěte ke zpětné vazbě týkající se jakýchkoli „varovných signálů“ (např. neproveditelné přechodové struktury, omezené vzdálenosti mědi, problémy s tepelným managementem).
• Zeptejte se na dodatečné procesy: Někteří výrobci nabízejí simulační služby SI ve vlastním provozu, automatickou kontrolu seznamu spojů nebo pokročilé testování/kontrolu (např. rentgen pro HDI).
• Společně posuďte zpětnou vazbu z prototypu: Společně pečlivě prozkoumejte první výrobní kusy kvůli vadám pájení, neočekávané kapacitě/indukčnosti nebo horkým místům SI/EMI – a podle potřeby iterujte, než dojde k rozšíření výroby.

Kontrolní seznam spolupráce DFM a výrobce

Příklad z reálného života: Řešení výrobních výnosů pomocí DFM

Bezdrátové IoT centrum s 10vrstvou smíšeného signálu mělo při prvním výrobním běhu selhalo testování impedance na diferenciálních USB linkách. Hlavní příčina: neoprávněné náhrady specifikovaného nízké-Dk mřížového fólie způsobily posun impedance spojů z 100 Ω na 115 Ω, což vedlo k nesplnění shody. Přímou spoluprací s výrobcem, ověřením všech materiálů a přidáním dokumentace vrstvení do Gerber souborů se podařilo následující sérii úspěšně projít testy SI i EMI/EMC – a dosáhnout tak 100% výtěžku.

10. Testování smíšeného signálového PCB na spolehlivost

Důkladné testování je poslední bariérou pro desku se smíšeným signálem kvalita A integrita signálu . I ty nejdůkladněji navržené desky mohou skrývat výrobní vady, problémy se SI nebo neočekávané zranitelnosti ve skutečném provozu. Komplexním ověřovacím strategiím, které zahrnují analogové i digitální subsystémy, chráníte funkčnost, shodu a dlouhodobou spolehlivost svého produktu.

Proč je komplexní testování kriticky důležité

Smíšené signálové desky PCB jedinečným způsobem kombinují citlivost analogových obvodů a rychlé přepínání digitálních signálů – což vytváří testovací prostředí, ve kterém i malé rušení nebo parazitní jevy mohou způsobit chyby na úrovni celého systému. Neočekávané problémy, jako je například ground bounce, napájecí přechodové jevy nebo kolísání hodinového signálu, mohou znehodnotit měsíce návrhové práce a oslabit odolnost v provozu.

Hlavní typy testů pro smíšené signálové desky PCB

1. Funkční test

• Účel: Ověřuje, že jak analogové, tak digitální obvody splňují požadavky návrhu.
• Metody:  
  • Zaveďte známé analogové signály a zkontrolujte linealitu, SNR a THD převodních funkcí ADC/DAC.
  • Použijte logické analyzátory a testery protokolů k ověření digitálních sběrnic (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) na správné časování, bezchybný přenos a soulad s protokolem.
  • Používejte smyčkové vzory a samoopravné diagnostické rutiny pro inicializaci na úrovni desky.

2. Test zatížení prostředím

• Účel: Odhaluje skryté vady nebo zranitelnosti SI za extrémních teplot, vlhkosti a vibrací.
• Metody:  
  • Cyklické změny teploty (např. od –40 °C do +85 °C), za provozu i mimo provoz.
  • Testy expozice vlhkosti, obzvláště důležité pro analogové vstupy/výstupy nebo vysokorychlostní I/O vystavené prostředí.
  • Simulace vibrací a rázů – sledování výpadků signálu, kolísání uzemnění nebo problémů SI souvisejících s konektory.

3. Test shody s normami EMI/EMC

• Účel: Zajišťuje, že vyzařování a citlivost desky jsou v mezích stanovených předpisy (FCC, CISPR, automobilový průmysl, lékařství atd.).
• Metody:  
  • Vyzařované emise: Proskenujte desku v bezodrazové komoře, abyste změřili EMI od rušivých hodin, rychlých datových linek a napájecích oblastí.
  • Vedené emise: Posuďte, zda není rušení vstřikováno do napájecích vodičů desky.
  • Testování odolnosti: Desku ozařujte radiofrekvenční energií nebo impulsy elektrostatického výboje a ověřte stabilní analogový/digitální provoz.

Běžné vybavení pro testování smíšené signálové DPS

Ověřený pracovní postup testování

• Plánování míst měření ve vyhotovení: Zahrňte přístup k analogovým i digitálním signálům – zajistěte nezahlcené oblasti pro osciloskop, logickou sondu nebo RF měření.
• Spusťte simulace SI/PI před výrobou: Ověřte kritické sítě ve virtuálním prototypu ještě před realizací hardwaru.
• Vytvářejte prototypy, odstraňujte chyby a dokumentujte: Analyzujte počáteční verze na rozdíly v SI (uzavření oka, jitry, šum) a zaznamenávejte kroky k identifikaci kořenové příčiny a nápravě.
• Proveďte důkladné ověřování shody: I produkty bez certifikace profitovaly z testování EMI/EMC, které často odhaluje neočekávané problémy SI způsobené chybami v uspořádání, uzemnění nebo stínění.
• Sledujte během počátečního nasazení: Zpětná vazba ze skutečného provozu je neocenitelná pro nepřetržité ověřování SI, zejména pokud aplikace zahrnují měnící se prostředí.