Hvordan kan optimeret flerlags PCB-design forbedre signalkvalitet?

1. Indledning: Vigtigheden af optimeret signalkvalitet i mixed-signal flerlags PCB-design

I dagens hurtigt udviklende elektronikverden har kravet om kompakte, højtydende enheder ført til integrationen af både analoge og digitale kredsløb på ét enkelt mixed-signal PCB . Disse boards driver alt fra smarte industrielle kontrollere til bilernes infotainmentsystemer – og i centrum for deres funktion ligger et afgørende aspekt: signalintegritet .

Signalkvalitet (SI) henviser til kvaliteten og pålideligheden af elektriske signaler, mens de bevæger sig over et printet kredsløbskort. Når et signal bevarer sin ønskede form, spænding og timing undervejs, fungerer systemet som forventet. Men med både højhastigheds digital PCB sektioner og følsomme analog PCB domæner, der koeksisterer på et mixed-signal-layout, forøges truslerne mod signalkvaliteten. Højfrekvente overgange, switchende støj og parasitiske effekter kan forringe signaler – hvilket fører til crossTalk , ground bounce , og tab af datafidelitet. Konsekvenserne? Uforudsigelig kredsadfærd, elektromagnetisk interferens ( EMI ), reguleringsmæssige problemer og besværlige forsinkelser i tid til markedet.

Hvorfor er signalfidelitet så vigtig i mixed-signal PCB'er?

Mixed-signal-kort står over for unikke SI-udfordringer, fordi digitale kredsløb genererer hurtige flankehastigheder, spændingssvingninger og bruste strømme, som nemt kan forurene analoge stier. En fejlagtig spids på en reference jordplan eller en ødelagt clock kan betyde upræcise analoge aflæsninger, mislykket ADC-integration eller ødelagte dataoverførsler – alt sammen særlig alvorligt i sikkerhedskritiske eller højopløselige applikationer.

Faktaoversigt: Hvorfor SI er vigtig i mixed-signal PCB'er

Hvad denne guide dækker

I denne detaljerede guide lærer du:

• De grundlæggende principper for mixed-signal PCB ingeniørvidenskab
• Praktiske bedste praksis for SI-håndtering (med nøgleord som kontrolleret impedans , differentialpar routing , og jordforbindelsesstrategier )
• En 12-trins proces for at maksimere ydelse og producibilitet
• Avanceret dækning af forbindelser (vias), lagopbygninger, afkoblingskondensatorer og mere
• Fejlfindingstips og cases
• De nyeste værktøjer til SI-simulation og PDN-analyse

2. Hvad er mixed-signal PCB-design?

A mixed-signal PCB er et print, der integrerer både analoge og digitale komponenter i et enkelt substrat. Denne kombination gør det muligt for moderne enheder at skabe bro mellem den fysiske – analoge – verden og den digitale verden og muliggør alt fra IoT-produkter med mange sensorer til avancerede elektroniske styreenheder i biler.

Definition af mixed-signal, analoge og digitale PCB-områder

• Analoge PCB'er håndterer kontinuerte signaler—såsom lyd, temperatur eller spændingsniveauer. Disse signaler er meget følsomme over for støj, krydsforstyrrelser og små spændingssvingninger.
• Digitale PCB'er behandler diskrete logiksignaler (0'ere og 1'ere). Selvom de kan virke robuste, er digitale kredsløb—især højhastighedskredsløb—store kilder til elektromagnetisk støj, ground bounce og simultane switchende output (SSO).
• Mixed-signal PCB-design henviser til layouter, hvor disse to verdener skal eksistere side om side, hvilket kræver omhyggelig opmærksomhed på signalintegritet , jordforbindelser og strømforsyningsintegritetsproblemer.

Typiske anvendelser af mixed-signal PCB'er

Mixed-signal PCB'er er rygraden i mange missionskritiske systemer, herunder:

• Industriel automation: Echtidsstyring med højpræcise sensorgrænseflader.
• Bilsystemer: Infotainment, batteristyring, ADAS og motorstyring.
• Forbrugerelektronik: Smartphones, bærbare enheder, lydenheder og kameraer.
• Medicinsk udstyr: Patientmonitork, billedvågningsystemer og diagnostisk udstyr.
• Kommunikation: Routere, transceivere, SDR og netværksudstyr til højhastighedsdata.

Tabel: Eksempler på anvendelsesområder for mixed-signal PCB

Hvorfor er mixed-signal PCB-design udfordrende?

Den primære udfordring er at håndtere signalintegritet , fordi:

• Digitale kredsløb skaber hurtige spændingssving (høj dV/dt, høj di/dt), som inducerer støj på fælles jordplan og strømforsyningsnet.
• Analoge kredsløb er sårbare over for svag støj, selv på mikrovolt-niveau, hvilket kan forårsage SNR (signa-til-støj-forhold) forringelse og THD (total harmonisk forvrængning) i ADC'er.
• Klokker (som dem der føder ADC-integration ) og datalinjer krydser flere domæner, hvilket giver anledning til crossTalk , afbrydelse af returstien , og tidsfejl.
• Dårligt implementeret jordforbindelsesstrategier og PCB-opbygning kan forstærke disse risici, især i tætte flerlagsplader.

Forståelse af nøglen til blandede signalblokke

Et vellykket mixed-signal PCB opnår:

• Isolation: Holde analoge signaler fri for digital støj gennem layout, delt jord eller beskyttelsesringe.
• Pålidelig konvertering: Sikre, at dine ADC'er (f.eks. 12-bit eller 16-bit) og DAC'er leverer nøjagtige, lavstøjsdata ved brug af rene urudsendelse netværk og optimeret afkobling.
• Styret impedans: Anvendelse af 50 Ω enkeltstående eller 100 Ω differentielle linjer til højhastighedstraces ved brug af mikrostrip, stripline eller coplanar bølgeleder-strukturer.
• Effektiv strømforsyningsnetværk (PDN): Undertrykkelse af ripple og opretholdelse af stabile spændinger med korrekte afkoblingskondensatorer og design af strømplaner.
• Afskærmning og EMI-håndtering: Anvendelse af via-stingning, kobberudfyldning eller Faraday-bur i nøglesensitive områder.

3. Nøgleudfordringer for signalintegritet i forbedrede mixed-signal PCB'er

Design af en robust mixed-signal PCB er en fin afvejning: det kræver omhyggelig koordination af analog følsomhed og den uophørlige aktivitet af digital logik på et fælles substrat. Når datarater stiger og tætheden på kortet øges, bliver det ikke bare udfordrende, men afgørende at sikre robust signalintegritet (SI). Nedenfor gennemgår vi de vigtigste signalintegritetsudfordringer, som enhver designer af blandet-signal PCB'er skal tackle for at levere pålidelige produkter med høj ydelse.

1. Krydsstøj og støjkobling

Når analoge og digitale ledninger løber tæt på hinanden, især over lange parallelle strækninger, indføres støj fra hurtigt skiftende digitale signaler i følsomme analoge linjer via gensidig kapacitans og induktans – et fænomen kendt som crossTalk . I højhastighedsdesign kan dette forårsage betydelige fejl i analoge målinger eller ødelægge data. Dårlig differentialpar routing og usammenstemmende impedanser forværrer dette problem.

2. Ground bounce og jordsløjfer

Ground bounce opstår, når højhastighedsdigitale udgange skifter samtidigt, hvilket forårsager pludselige jordspændingsforskydninger. Disse forskydninger (samtidig skiftende udgange, eller SSO) er særligt problematiske, hvor den analoge og digitale sektion deler hele eller dele af en jordplan. Dette resulterer ikke kun i digitale tidsfejl, men forstyrrer også reference-spændinger for analog-til-digital-omformere, operationsforstærkere og følsomme sensorer.

Jordløkker opstår, når der findes flere jordreturbaner, hvilket danner uønskede "antenner", der kan indføre brum, oscillation eller opfangede miljømæssige EMI-påvirkninger. Dette gør jordforbindelsesstrategier —som omhyggelig layoutudformning og enkeltpunkts jordforbindelse—af afgørende betydning for mixed-signal-kort.

3. Støjsignaler i strømforsyningsnetværket (PDN)

Fluktuationer på strømforsyningsrailene, forårsaget af hurtige skiftebelastninger (digitale IC'er, clock-drivere), kan generere spændingsrippel og støjbølger, som koples direkte ind på analoge strømforsyningslinjer eller analoge referencesignaler. Hvis afkoblingskondensatorer er utilstrækkelige, forkert placerede eller har dårlige ESR-egenskaber, forringes strømkvaliteten. En ustabil PDN undergraver ikke kun SI, men også kompromitterer ADC-omløsning (forårsager jitter, tab af SNR og endda funktionelle fejl).

4. Impedansdiskontinuiteter og afbrydelser i returstien

Højhastighedsdigitale signaler opfører sig som transmissionsledninger med styret impedans (typisk microstrip eller stripline), og enhver diskontinuitet – såsom et dårligt designet gennemgående hul, stik eller delt strøm-/jordplan – vil forårsage signalrefleksioner, stående bølger og impedansmismatch . Ligeledes skal returstier for både analoge og digitale signaler være korte, direkte og fri for delinger eller stubbe, ellers opstår refleksioner og signaltab - Det sker.

Tabel: Almindelige afbrydelser og deres virkninger

5. EMI/EMC-udfordringer

Elektromagnetisk Støj (EMS) og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) er overordnede udfordringer, især i mixed-signal-layouts. Hurtigt kantede digitale kredsløb fungerer som EMI-”udsendere“, mens analoge sensorer, RF-inputs og ADC'er er sårbare ”ofre“. Utilstrækkelig afskærmning , dårlig planlayout og mangel på via-sting kan forvandle et kort til en sendeantenne, hvilket risikerer at mislykkes med regulatorisk certificering.

6. Signal-timing og urdistributionsproblemer

Uregelmæssig urudsendelse eller overdreven urjitter kan skabe tidsmæssige forskydninger (skævhed) mellem domæner, hvilket forårsager uforudsigelig latens, metastabilitet og fejl ved datastrobing – især under urdomænekrydsning . ADC'er og DAC'er er særlig sårbare over for klokkestøj og jitter, hvilket forringer effektiv båndbredde og nøjagtighed.

7. Utilstrækkelig simulering og analyse før layout

Moderne PCB-kompleksitet gør det farligt at 'gætte sig frem' uden dedikeret SI-simulation og effektintegritet (PI) analyse. Simuleringsværktøjer (som HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) giver en designer mulighed for at forudse og rette subtile problemer—såsom længdeforkertmatch, diskontinuiteter i returbaner, parasitisk kapacitans og varmepunkter—langt før produktionen påbegyndes.

4. Bedste praksis og vigtige overvejelser

At designe en mixed-signal PCB med fremragende signalintegritet kræver en nuanceret, helhedsorienteret tilgang. Hvert eneste valg—fra lagrækkefølge til strømforsyning—kan påvirke korts ydeevne i den virkelige verden. I dette afsnit får du indsigt i væsentlige, konkrete bedste praksis-metoder, der dækker både designgrundlaget og avancerede teknikker for integration af analog/digital.

1. Planlæg adskillelse af områder tidligt

Tydelig funktional adskillelse er afgørende. Tildel dedikerede områder for analog PCB og digital PCB kredsløb under indførelse af skematiske diagrammer og layoutplanlægning. Fysisk afstand reducerer støjindkobling, jordstød og krydsforstyrrelser mellem domæner betydeligt. En tommelfingerregel: kør aldrig digitale klokke- eller højhastighedsdatasignaler under eller tæt på følsomme analoge komponenter.

Nødvendige foranstaltninger:

• Placer ADC, sensorer og analoge forstærkere så langt væk som muligt fra oscillatorer, FPGAs, switchende regulatorer og højfrekvente krystalkilder.
• Orienter større digitale databusser, så de står vinkelret på kritiske analoge signalstier for at begrænse kapacitiv indkobling.

2. Optimer din PCB-lagopbygning

PCB-opbygning påvirker alt fra EMI-immunitet til impedanskontrol. Anvend en lagstruktur, der placerer lag med højhastighedssignaler mellem solide, uafbrudte jordplaner (og hvor nødvendigt, strømforsyningsplaner). Dette skaber ikke kun transmissionslinjer med kontrolleret impedans, men muliggør også korte, direkte returstier for hurtige transiente strømme.

3. Hovedstrategier for jording

Jording er hjørnestenen i signaltrohed for mixed-signal-kredsløb. Der findes generelt to skoler af tænkning:

• Enkelpunktsjorde (stjernejorde): Et dedikeret knudepunkt forbinder analoge og digitale returstier på en kontrolleret måde – især effektivt i lavfrekvente og mellemfrekvente konstruktioner.
• Kontinuerlig jordplan: For højere hastighed/frekvens-designs tilbyder et solidt, sammenhængende kobberplan med omhyggelig segmentering (hvis nødvendigt) de korteste returstier og mindst EMI-generering.

Bedste jordteknikker for mixed-signal-kort:

• Undgå jordløkker ved at sikre én enkelt retursti for hver kredsløbsfunktion.
• Del ikke jordplaner vilkårligt. Del kun hvis det er absolut nødvendigt, og forbind altid ved ét enkelt punkt med lav impedans under ADC'en eller hovedomformeren.
• Brug beskyttelsesringe eller kobberudfyldninger rundt om højimpedante analoge linjer og kritiske analoge kredsløb for yderligere at afskærme dem.

4. Kontroller impedans og brug differentielle par-routning

Højhastigheds digitale ledninger skal routes som kontrolleret impedans ledninger, tilpasset grænsefladens krav (50 Ω single-ended, 100 Ω differentielle typisk). Dette minimerer signaldæklinger og stående bølger. Ved differentiel signalering (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) er ledningsafstand og længdematching afgørende.

5. Sørg for robust strømforsyning og afkobling

Din strømforsyningsnetværk (PDN) fortjener alvorlig ingeniørarbejde.

• Brug separate regulatorer eller filtrerede domæner til analoge og digitale spændingsføring. Lavstøjs LDO'er (lineære regulatorer) til analog, switchende regulatorer (SMPS) til digitale belastninger, filtreret efter behov.
• Placer afkoblingskondensatorer strategisk (herunder flere værdier til høj/lav frekvensfiltrering) så tæt som muligt på IC-ernes forsyningspinner. Vælg kondensatorer med lav ESR og brug en blanding af keramiske MLCC'er (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF osv.).
• Anvend ferritperler eller små isolationsinduktorer mellem analoge og digitale planer/railer.

Eksempel på afkoblingstabel

6. Prioriter EMI/EMC-håndtering

Anvend en flerlaget tilgang:

• Brug afskærmningsdåser og metalomslag til højrisiko analoge og RF-sektioner.
• Via-forbindelse (jordviaer med regelmæssig afstand) omkring analoge sektioner og langs kanten af boardet holder returstrømme inde, hvilket reducerer EMI "lækage".
• Omsorgsfuld urudføring klokkeledninger skal være korte, ført væk fra analoge områder og afskærmet af tilstødende jordforbundne spor eller planer. Undgå at føre klokkeledninger over brudte eller opdelte jordområder for at undgå udstråling.

7. Valider med simulationsværktøjer og DFM-kontroller

Gæt ikke – simuler! Brug SI-simulation og PDN-analysator værktøjer (som HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity eller indbyggede værktøjer i Altium/OrCAD) til at vurdere:

• Signal øjediagrammer
• Krydsafbrydelsesprognoser
• Integritet i returstier
• Ripple på strøm og jord
• Termiske varmepunkter/styring

5. 12 trin til en optimeret effektiv mixed-signal PCB-design

Behersker signalintegritet med en praktisk, trinvist proces er kernen i design af mixed-signal PCB'er der fungerer pålideligt under virkelige begrænsninger. Nedenfor gennemgår vi 12 afprøvede trin – hvert afspejler branchens bedste praksis, almindelige fejl og handlekraftig ingeniørviden.

Trin 1: Adskil analoge og digitale sektioner tidligt

1.1 Identificer analoge og digitale domæner

• Gennemgå dit skematisk for at kategorisere komponenter som udelukkende analoge, digitale eller mixed-signal (som ADC'er, DAC'er, CODEC'er).
• Kommentér hver kredsløbs funktion: lavstøjanalog, digital logik, højhastighedstidsmønster osv.

1.2 Strategisk placering

• Fysisk isoler analoge og digitale områder på PCB-layoutet.
• Rut analoge signaler væk fra digitale busser og undgå at rute digitale spor under analoge IC'er.
• Brug silkeskærms- eller kobbermærkninger til at angive grænser, hvilket hjælper ved samling og fejlfinding.

Trin 2: Vælg komponenter med passende grænseflader

Når forskellige understystemer integreres, forbedrer valg af den rigtige grænsefladeprotokol både ydelse og signalintegritet .

Almindelige grænseflader og bedste anvendelsesområder

Trin 3: Forbedr ADC-funktionalitet for nøjagtig måling

3.1 Vælg den rigtige ADC til opgaven

• Overveje nøgle-ADC-specifikationer opløsning (12, 16, 24 bit), støjforhold (SNR), totale harmoniske forvrængninger (THD), maksimal prøvetagningshastighed, inputimpedans, reference-spændingsstabilitet.
• Vælg en arkitektur, der passer til applikationen: SAR, Sigma-Delta eller Pipeline ADC'er.

3.2 Sørg for stabile klokke-signaler og isoler støjkilder

• Brug oscillatorer med lav jitter. Klokke-jitter forringer det effektive antal bit (ENOB) i hurtige ADC'er.
• Isoler fysisk klokke-traces fra støjende digitale busser.
• Afkobl ADCens forsyning med kondensatorer med lav ESR.

3.3 Hold referencespændinger rene

• Placer referencekondensatorer (10–100 µF samt 0,1 µF keramiske) tæt på ADCens Vref-pind.
• Beskyttelsesringe omkring referencesignaler yderligere reducerer støjindkobling.

Trin 4: Design en effektiv PCB lagopbygning

En omhyggeligt udformet PCB-opbygning udgør rygraden i mixed-signal succes.

• Placer højhastighedssignallag ved siden af solide referenceplaner.
• Undgå at opdele jord- eller strømplaner under routede signaler.
• Bevar symmetri i opbygningen for at minimere bøjning/vridning og understøtte krydsforstyrrelsesdæmpning.

Trin 5: Implementer effektive jordforbindelsesstrategier

• Enkelt-punktsforbindelse mellem analoge og digitale jordforbindelser (typisk ved ADC).
• Brug solide, brede kobberstøbninger/buer til jordbaner—minimer modstand og induktans.
• Ansætte beskyttende sporer og kobberstøbninger omkring følsomme analoge signaler.

Trin 6: Optimer strømforsyning og afkobling

6.1 Brug dedikerede strømforsyninger

• Separat analoge og digitale strømforsyninger. Brug LDO'er til analoge kredsløb, switchende/ferritfiltrering til digitale.
• Forsyn ADC'er og andre højpræcisionskomponenter fra den reneste mulige strømforsyning.

6.2 Afbrydningskondensatorer til støjfiltrering

• Anbring en kombination af højfrekvente (0,01–0,1 µF) og store (1–10 µF) MLCC-kondensatorer ved hver IC.
• Minimer sløjfearealet ved at holde forbindelserne fra kondensator til pind så korte som muligt.

Trin 7: Effektiv routing af analoge og digitale ledninger

• Kryds aldrig analoge og digitale ledninger —vedligehold lagdelt, adskilt routing.
• Undgå at føre højhastighedsledninger over returstrømsopdelinger eller huller i jordplanet.
• Match længden af ledninger for højhastigheds/differentialpar; brug impedansberegner til præcise breddeindstillinger.

Trin 8: Implementer strategier for termisk styring

• Identificer komponenter, der genererer varme (regulatorer, højstrømsdrev, processorer).
• Brug varmetransportgennemføringer og dedikerede kobberarealer (termiske padder) til at lede varme til indre eller modsatte lag.
• Overvej tvungen luftkøling, kølelegemer eller endda indbygget kobber, hvis effekttætheden er høj.

Trin 9: Synkronisér urdistribution for at forbedre mixed-signal-designs

• Fan ud ure med lav-skæve buffere.
• Rut ur ved hjælp af korte, direkte spor, afskærmet af jordplaner.
• Undgå ur-spor over opdelte jordforbindelser – vedligehold sammenhængende referenceplaner.

Trin 10: Implementer afskærmning til støjbegrænsning

• Brug Faraday-bur , metalliske afskærmningsdåser eller solide kobberkasser til særligt støjsensitive analoge/RF-sektioner.
• Søm jordforbindelser tæt omkring afskærmede områder og langs kanten af pladen.

Trin 11: Simulér mixed-signal multilags PCB-design

• Anvend SI/PI-simuleringsværktøjer (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) til at analysere:
  • Impedanskontinuitet
  • Øjediagrammer og jitter
  • Kraftbølger
  • Retursti og sårbarheder over for krydsindstråling

Trin 12: Forbered og hent produktionsfiler

• Gennemgå og afslut lagopbygnings tegninger, nøgle materialedata (f.eks.) kobberstykkelse , dielektriske konstanter, via-typer).
• Sikre impedanskontrol og testpunktangivelser er klart markeret i Gerber-filerne.
• Tilføj annoterede henvisninger til afskærmning, via-stingning og termiske vias.
• Medtag en omfattende netliste og funktionsmålingsadgang for begge domæner.

6. Forståelse af vias og deres indvirkning på signalkvalitet

Vias —de små vertikale forbindelser, der forbinder lag i en mixed-signal PCB —bliver ofte overset som en årsag til dårlig signalintegritet . Men når klokfrekvenserne overstiger flere hundrede MHz eller endda går ind i GHz-området, får via-strukturen en stadig mere markant effekt på alt fra transmissionslinjeimpedans til crosstalk og ground bounce. For robust ydeevne ved høj hastighed eller analog anvendelse er det afgørende at forstå og optimere via-egenskaber.

Typer af vias og deres rolle i blandsignalkort

Vias findes i forskellige formater, hver med specifikke virkninger på signalkvaliteten:

Indvirkning af via-induktans og kapacitans

På et typisk højhastigheds PCB , via induktans og kapacitans er tilsammen kendt som parasitiske elementer —ufrivillige bieffekter, der forvrænger hurtige kantsignaler. Disse effekter er særligt problematiske i kontrolleret impedans (f.eks. 50 Ω enkeltstikket, 100 Ω differentielle) miljøer.

Nøgleeffekter:

• Parasitisk induktans årsager:
  • Langsomme kanter, højfrekvent dæmpning
  • Refleksioner, signaloversving og ringe
• Parasitisk kapacitet årsager:
  • Lokale impedansdip, forvrængning ved hurtige kanter
  • Øget krydsforstyrrelse mellem gennemgange eller til nærliggende planer

Eksempel: 10 Gbps datalinje

En gennemgang med en 1 mm stub (uforbundet ende indeni PCB'et) kan forårsage resonans ved flere GHz, hvilket alvorligt forvrider et 10 Gbps seriel signal. Fjernelse eller forkortelse af stubben (via bagudboring eller brug af blinde mikrogennemgange) bringer signalamplitude, øjevidde og tidsmæssig jitter tilbage inden for specifikationerne.

Strategier for optimering af gennemgange og signalintegritet

Optimering af brugen af gennemgange er et af de mest effektive tiltag i højhastigheds- og mixed-signal PCB'er. Her er nogle vigtige bedste praksis:

• Minimer antallet af gennemgange langs alle kritiske højhastighedslinjer eller følsomme analoge ledninger.
• Brug mikrogennemgange eller korte blinde forbindelser i stedet for lange gennemgående forbindelser i GHz+ ruter.
• Undgå via stubs :

• • Brug eftermuldboring, hvor det er muligt, for at fjerne overskydende via-materiale under den aktive lag.
  • Eller begræns via-overgange til 'lag-til-lag' uden uønskede udhængende ender.

• Optimer placering af via'er :

• • Bevar symmetri i differentielle par.
  • Hold højhastigheds-via'er tæt på reference-jordvia'er (via syning) for at minimere sløjfeareal og understøtte returstier.

• Tæthed til jordplaner : For digitale og blandede signaler skal der altid placeres en jordvia nær hver signalvia, så risikoen for udstrålet EMI reduceres.

Tabel: Retningslinjer for via-optimering

Hensyn til aspektforhold for fremstilling og SI

Billedformat (via hullens dybde i forhold til diameter) påvirker både fremstillingsevne og signalkvalitet. Høje aspektforhold gør pladering ustabilt (risiko for huller eller åbne kanaler) og øger via-impedansen, især i HDI-designs.

• Anbefalede aspektforhold: ≤10:1 for standard gennemgående hul; meget lavere for mikrovia
• Brugssag: For en 1,6 mm tyk PCB er minimum 0,16 mm (6,3 mil) via-boring tilladt for sikker pladering

SI casestudie: Mikrovia mod gennemgående hul på højhastigheds-seriel

En telekommunikationsdesigner, der integrerede et 12-lags blandet signal-backplane, erstattede ældre gennemgående hul-vias på et 6,25 Gbps SerDes-par med bagborede blinde mikrovias. Jitter i øjediagrammet faldt med 31 %, krydsindstråling (ved 5 GHz) halveredes, og designet bestod første runde EMI-test – hvilket beviser den direkte SI-fordel ved moderne via-strategi.

Bedste praksis-resume

• Vælg via-typer og strukturer baseret på signalintegritet krav, producibilitet og lagopbygning af kredsløbspladen.
• Simuler (ved brug af Ansys SIwave, HyperLynx eller Altiums SI-værktøjer) eventuelle via-koblinger, resonans- eller refleksionsrisici – især på linjer over 500 Mbps eller kritiske analoge signaler.
• Afvej altid SI-krav op imod DFM-feedback fra din PCB-producent for pålidelige produktioner.

7. Strategier for jordplan i højhastigheds- og mixed-signal PCB'er

Et korrekt dimensioneret jordplan er den usynlige vokter af signalkvaliteten i alle højtydende mixed-signal PCB . Når digitale hastigheder stiger og analog nøjagtighed øges, bliver jordsystemet den kritiske retursti for ethvert signal, skjoldet mod EMI og "nulvolt"-referencen for alle analoge og digitale målinger. Alligevel kan små fejl i layout af jordplanene stille og roligt ruinere selv de mest avancerede konstruktioner.

Jordplaners rolle i mixed-signal PCB'er

I både analog PCB og digital PCB delsystemer har jordplanet tre væsentlige funktioner:

• Signalretursti: Sikrer lavimpedante, direkte stier mellem kilde og belastning for både højhastighedsdigitale og følsomme analoge signaler.
• EMI-undertrykkelse: Giver en kontinuerlig afskærmning, der absorberer og indeholder udstrålede emissioner, og begrænser både intern krydsforstyrrelse og modtagelse af ekstern støj.
• Referencestabilitet: Bevarer en konstant spændingsreference, afgørende for ADC-integration og præcise analoge målinger.

Bedste praksis for implementering af jordplan

1. Brug et solidt, uafbrudt jordplan

• Afgiv en hel lag (eller flere lag) til ubrudt jord.
• Undgå at skære, slits eller opdele dette plan under signalføringer.
  • Faktum: Enhver åbning eller brud i jordplanet under en højhastighedsspore tvinger returstrømme til at følge en omvej, hvilket markant øger sløjfearealet, EMI og følsomheden over for støj.
• Placer kredsløb med høj hastighed og høj opløsning direkte over deres referencejord, så retursløjfer forkortes og parasitisk induktans minimeres.

2. Adskil analoge og digitale jorder – med disciplin

• For mange blandet signal PCB'er er det klogt at logisk (ikke altid fysisk) adskille analoge og digitale jorder, og forbinde dem i ét enkelt stjernepunkt —ofte direkte ved ADC eller DAC. Dette forhindrer støjende digitale jordreturstrømme i at forurene analoge referencer.
• Brug fysiske opdelinger kun hvis det er nødvendigt ; aldrig opdele uden grund, og altid sørge for en lav-impedans 'bro' ved de vigtige konverterings-/grænsefladepunkter.
• Undgå lange parallelle løb af analoge og digitale jordforbindelser, som kan virke som antenner.

3. Forbind jordplaner med forbindelsesvias

• Brug via-forbindelse rundt om afskærmede zoner, kanten af pladen og tæt på højhastighedssignals viaforbindelser. Tæt placerede (≤2 mm) jordvias sikrer effektiv indeslutning af EMI og strammer signalets returledning.
• For differentielle eller højhastighedspar, der krydser planer, skal der være jordvias, der flankerer signalvias for korrekt styring af returstrøm.

4. Brug flerlagede jordplaner til kritiske anvendelser

• Flersidede print (f.eks. 4, 6 eller flere lag) bør altid have mere end ét jordplan for lavimpedans-retur og ekstra afskærmning. Overvej 'jord-sandwich'-konstruktioner med to jordplaner, der flankerer et signallag.
• Eksempel på lagopbygning:  
  • Lag 2: Solid jord til digital
  • Lag 4: Analog jord (tilsluttet ved ADC stjerne-punkt)
  • Lag 6: Chassis- eller skærmjord (til kabinet eller RF-anvendelser)

Praktiske retningslinjer for jordplan – Tabel

8. Strømintegritet: Sikring af et rent strømforsyningsnetværk

Design til robust strømintegritet (PI) handler ikke bare om at levere spænding til dine enheder – det handler om at sikre, at hver følsom analog forstærker, hvert højhastigheds digitale signal og hver præcisionsomformer altid modtager en støvfri, stabil forsyning under alle reelle belastningsforhold. I mixed-signal PCB-design er strømfordeling strategier lige så afgørende for signalintegritet som jording og impedanskontrol.

Hvorfor strømintegritet er vigtig i mixed-signal PCB'er

Et støvet eller svagt strømforsyningsnetværk (PDN) kan undergrave selv det bedste analoge eller digitale layout. Overvej:

• Spændingsforsyningsripple kan koble sig direkte ind i ADC-integration , hvilket nedsætter effektiv opløsning og signal-støj-forhold (SNR) og forårsager jitter på klokkebaserede grænseflader.
• Transiente fald ("jorddip") fra hurtig digital switcing skaber ground bounce eller krydsforstyrrelser, som analoge kredsløb muligvis forstærker eller demodulerer.
• Utilstrækkelig afkoblingskondensatorer dårligt dimensionerede eller placerede store kondensatorer kan medføre, at spændingsrails svinger eller ringer, hvilket potentielt kan ødelægge logiktilstande og sensoraflæsninger.

Strategier for ren strømforsyning

1. Adskil analoge og digitale strømdomæner

• Brug separate analoge og digitale rails, hvor det er muligt. Føde det analoge domæne med lavstøjs lineære regulatorer (LDO'er), mens højeffektive switchende strømforsyninger (SMPS) kan betjene de digitale domæner.
• Til kritiske sensorer eller højopløselige ADC'er kan der tilføjes et ekstra analogt forsyningsfilter (LC- eller ferritperle + kondensator).
• Fysisk opdel analoge og digitale strømplaner eller -områder for yderligere at isolere følsomme sektioner.

2. Brug PDN-analyse og impedanstmål

• Definér og simulér din PDN med PDN-analysator værktøjer (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys osv.) for at sikre, at alle kredsløb modtager stabil spænding ved deres maksimale belastningstrin.
• Sæt et impedanstmål (Z_target) for hver rail. For moderne logik (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V rails) kan dette være så lavt som 10–20 mΩ for højstrømsstier.

3. Lagdelt placering af afkoblingskondensatorer

• Placér en kombination af MLCC'er (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) så tæt på hver strømpind som muligt – helst direkte under eller ved siden af via den korteste forbindelse.
• Brug større kondensatorer til bulk (10 μF, 22 μF, tantal eller keramiske) fordelt nær grupper af integrerede kredsløb eller ved strømtilslutningen.
• Brug ekstra lokal afkobling til højhastighedsdigitale IC'er (FPGA, MCU, DDR) for at reducere støj fra simultan switchning (SSO).

Eksempel: Tabel over afkoblingskondensatorer til blandet signal PCB

4. Minimer impedans og resonans for strømplan

• Maksimer tykkelsen af strømførende kobber (≥1 oz/ft²) og areal for kritiske analoge strømforsyninger for lav modstand.
• Hold planformene enkle og uafbrudte. Undgå smalle indsnævringer eller forgreninger, som øger lokal impedans.
• Læg korte, brede baner fra kilden (regulator) til belastningen, uden at passere gennem høj-støjsårer.
• Undgå at placere højhastighedssignalspor over støjende eller opdelte strømplaner, hvor det er muligt.

5. Ferritperler, LC-filtre og isolation

• Tilføj ferritperler på analoge strømforsyningsindgange for at blokere digitalt switchstøj (f.eks. MCU-kernestøj, kredsløb til ur-signaler).
• Brug LC Pi-netværksfiltre til ekstremt lavstøjs ADC-strømforsyninger eller sensorexcitation.

Casestudie: Løsning af ADC-støj på et mixed-signal-kort

En industriell IoT-sensormodule viste tilfældige spidser i de analoge målinger, når trådløs transmitter startede med højhastighedsdataoverførsel. PDN-analyse afslørede, at høje switchstrømme koblede gennem en fælles 3,3 V-rail, hvilket påvirkede ADC-reference. Efter tilføjelse af en ferritperle, ekstra lokal decoupling og adskillelse af den analoge VREF fra digital VCC forbedrede ADC's signalet-støj-forhold (SNR) sig med 22 dB, og støjspidserne forsvandt helt.

9. Konstruer for producibilitet og samarbejd med producenter

Uanset hvor sofistikeret din mixed-signal PCB konstruktion er eller hvor grundig din signalintegritet simulationer, afhænger dit boards succes til sidst af, hvor godt det kan bygges, testes og samles af din valgte producent. Design for fabrikabilitet (dfm) —og kunsten at samarbejde med PCB-producenter—sørger for, at alle dine SI-ambitioner oversættes problemfrit til reelle, pålidelige hardwareløsninger.

Hvorfor DFM er afgørende for succes med mixed-signal PCB og SI

Moderne mixed-signal PCB'er bruger ofte komponenter med fint pitch, HDI-opbygninger, præcis impedanskontrol, tætte via-arrayer og krævende layout for strøm/jord. Hvis dit design ikke kan producere kvalitetsprodukter i stor skala—eller systematisk kræver reparationer pga. ufremstillingsbare funktioner—er al din indsats inden for signalintegritet spildt.

Vigtige DFM-overvejelser for mixed-signal- og højhastighedsdesign

1. Opbygning og materialetilgængelighed

• Bekræft din ønskede PCB-opbygning hos din leverandør før layoutet låses—spørg om opnåelige antal lag, minimum dielektrisk tykkelse og kobbervægte.
• Brug materialer, som fabrikken har på lager (FR-4, Rogers, lavtabslaminater), der opfylder dine SI-mål for styret impedans, lav krydsafbrydning og høj isolation.
• Bekræft symmetri i lagopbygningen (for at minimere bøjning), især for højhastigheds- og HDI-kort.

2. Type gennemgange, aspektforhold og borebegrænsninger

• Del dine projekts gennemgangskrav (gennemgående, mikrogennemgange, blinde/begravne) og sikr, at din design passer til fabrikkens muligheder.
• Hold dig til aspektforhold ≤10:1 for gennemgående huller, eller brug trappet/stablede mikrogennemgange til HDI.
• Minimer "særlige bearbejdninger" (f.eks. bagudboring af stubbe), medmindre det absolut kræves for SI – da dette øger omkostningerne og kan mindske udbyttet.

3. Impedanskontrol—fra simulering til virkelighed

• Kommuniker målimpedanser for alle transmissionslinjer (50 Ω, 100 Ω diff. osv.) og henvis til din lagopbygning i dine produktionsspecifikationer.
• Anmod om testcoupons eller undervejs-impedanstjek for at bekræfte, at kritiske net opfylder specifikationerne.
• Bekræft fabrikkens evner til præcisionsætsning, platering og dielektrisk kontrol.

4. Kobberstyrkelse, Annulærring og Ledningsbredde/afstand

• Indstil din ledningsbredde/afstand og kobberstyrkelse ud fra IPC-rettelinjer og producentens begrænsninger.
  • Overvej brug af ≥1 oz/ft² kobber for følsomme analoge og strømledninger for god PI og lav spændingsfald.
• Sørg for, at annulærringe rundt om forbindelseshuller (for plateringspålidelighed) overholder producentens minimumskrav.
• Valider minimumsafstande for lodmaske – især i tætte mixed-signal- og BGA-områder.

5. Test- og probeadgang

• Medtag testpunkter på både analoge og digitale knudepunkter; samarbejd med din assembler for at sikre, at fixturer kan nå alle kritiske net uden at støde på høje komponenter, stik eller skærmkapsler.
• Design til kredsløbstestning og funktionsprøvning – disse funktioner fanger ofte SI- eller monteringsfejl.

Effektiv samarbejde med PCB-producenter

• Del tidligt og ofte: Giv lagopbygning, impedansemål, nøgleruter og tæthedskort til din producent så snart som muligt.
• Anmod om DFM-gennemgang: Indbyd til feedback om eventuelle 'advarselslamper' (f.eks. uopbyggelige via-strukturer, begrænsede kobberafstande, udfordringer inden for termisk styring).
• Spørg efter værditilføjende processer: Nogle producenter tilbyder interne SI-simuleringer, automatiseret netlisteverifikation eller avanceret test/inspektion (såsom røntgen til HDI).
• Gennemgå prototypefeedback fælles: Undersøg førsteproduktionsbatch sammen for loddefejl, uventet kapacitans/induktans eller SI/EMI-varmepunkter – og gentag processen efter behov, inden du skalerer op.

DFM & Producent Samarbejde Tjekliste

Eksempel fra virkeligheden: Retter produktionens udbytte med DFM

En trådløs IoT-hub med et 10-lags mixed-signal PCB mislykkedes ved impedanstest på sine differentielle USB-linjer under den første produktionsrunde. Årsagen: Ikke-godkendte substitutioner af det specificerede lav-Dk prepreg fik sporimpedansen til at afvige fra 100 Ω til 115 Ω, hvilket brød reglerne. Ved at samarbejde direkte med producenten, validere alle materialer og tilføje dokumentation af lagopbygningen i Gerber-filerne, bestod designet både SI- og EMI/EMC-testene i næste parti – og opnåede 100 % udbytte.

10. Test af mixed-signal PCB'er for pålidelighed

Omfattende test er den endelige sikkerhed for mixed-signal PCB kvalitet Og signalintegritet . Selv de mest omhyggeligt designede plader kan skjule produktionsfejl, SI-problemer eller uforudsete sårbarheder i den virkelige verden. Ved at anvende omfattende valideringsstrategier, der tager højde for både analoge og digitale undersystemer, beskytter du din produkts funktionalitet, overholdelse og langsigtede pålidelighed.

Hvorfor omfattende testning er kritisk

Mixed-signal PCB'er integrerer unikt analog følsomhed og højhastigheds digital switcing – hvilket skaber et testmiljø, hvor selv mindre interferens eller parasitiske effekter kan forårsage systemfejl. Udækkede problemer såsom ground bounce, strømtransienter eller clock jitter kan ødelægge måneders designarbejde og underminere robustheden i feltet.

Vigtige typer test for mixed-signal PCB'er

1. Funktionalitetstest

• Formål: Bekræfter, at både analog og digital kredsløbsteknik fungerer i overensstemmelse med designspecifikationerne.
• Metoder:  
  • Indsæt kendte analoge signaler og tjek ADC/DAC-overføringsfunktioner for linearitet, støjforhold (SNR) og total harmonisk forvrængning (THD).
  • Brug logikanalysatorer og protokoltestere til at verificere digitale busser (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) for korrekt timing, fejlfri overførsel og overholdelse af protokol.
  • Anvend loopback-mønstre og selvkontrollerende fastvareprogrammer til initiering på kortniveau.

2. Miljøpåvirkningstest

• Formål: Afslører skjulte defekter eller SI-udsathed under ekstreme temperaturer, fugtighed og vibrationer.
• Metoder:  
  • Temperaturcykling (f.eks. –40 °C til +85 °C), med og uden strøm.
  • Fugtighedstest, især kritisk for analog front-end eller højhastigheds-I/O udsat for miljøet.
  • Vibration og stødsimulation—sporing af signaltab, jordbølger eller SI-problemer relateret til kontakter.

3. EMI/EMC-overensstemmelsestest

• Formål: Sikrer, at udstråling og følsomhed fra kredsløbskortet er inden for reguleringsmæssige grænser (FCC, CISPR, automobil, medicinsk, etc.).
• Metoder:  
  • Udbredt emission: Scan bordet i en ekko-fri kammer for at måle EMI fra støjende ure, hurtige datalinjer og strømområder.
  • Ledt emission: Vurder om støj injiceres på brættets strømledninger.
  • Immunitetstest: Beskyd brættet med RF-energi eller ESD-pulser og bekræft stabil analog/digital drift.

Almindeligt udstyr til test af mixed-signal PCB

Bedste praksis for testarbejdsgang

• Planlæg testpunkter i layout: Inkludér både analog og digital testadgang—sørg for uafbrudte områder til oscilloskop, logikprobe eller RF-måling.
• Kør forproduktions-SI/PI-simulationer: Valider kritiske net i det virtuelle prototype, inden du går over til hardware.
• Prototyp, fejlfind og dokumentér: Analyser tidlige bygninger for afvigelser i SI (øjenlukning, jitter, støj) og log rodårsag/korrektive foranstaltninger.
• Udfør omfattende overensstemmelsestest: Selv produkter uden klassificering drager fordel af EMI/EMC-test, hvilket ofte afslører uventede SI-problemer forårsaget af layout-, jordings- eller afskærmningsfejl.
• Overvåg under første implementering: Feedback fra den virkelige verden er uvurderlig for kontinuerlig SI-validering, især når applikationer indebærer skiftende miljøer.