Kuidas võib optimeeritud mitmekihiline PCB disain parandada signaaliterviklust?

1. Sissejuhatus: Optimeeritud signaalitervikluse tähtsus segatud signaali mitmekihilises PCB disainis

Tänapäeva kiiresti arenevas elektroonikamaastikus on kompaktsete, kõrge tootlikkusega seadmete nõudlus viinud analoog- ja digitaalahelate integreerimiseni ühele segatud signaali PCB-le . Need plaadid toidavad kõike nutikatest tööstuskontrolleritest kuni autotelemaatikani – ja nende toimimise keskmes on üks väga oluline aspekt: signaali terviklikkus .

Signaaliterviklus (SI) viitab elektriliste signaalide kvaliteedile ja usaldusväärsusele, kui need liiguvad trükkpliidil. Kui signaal säilitab oma ettenähtud kuju, pinge ja ajastuse liikumise vältel, siis süsteem toimib oodustusarvatavalt. Siiski, koos kõrgkiiruse digitaalse PCB ja tundlike analoogse PCB domeenide koosolek segatud signaalide paigutuses suurendab signaali kvaliteedile tekitatavaid ohte. Kõrge sagedusega üleminekud, lülitusmüra ja parasiitsed efektid võivad signaale halvendada – põhjustades ristmõju , ground bounce , ja andmete täpsuse kaotust. Millised on tagajärjed? Etteteadmatud toimimine, elektromagnetiline häire ( EMI eMI

Miks on signaali terviklikkus nii oluline segatud signaalide PCB-des?

Segatud signaalide plaadid silmitsuvad unikaalsete SI probleemidega, kuna digitaalskeemid tekitavad kiireid servade kiirusi, pingevarisid ja impulssivoolu, mis võivad lihtsalt saastada analoogteid. Üksainus vale impulss viiteni maa tasand või moonutatud kellaandur võib tähendada ebatäpseid analoogloemeid, ebaõnnestunud ADC integreerimist , või vigased andmete edastused – kõik eriti tõsised ohutuskriitilistes või kõrge resolutsiooniga rakendustes.

Kiirete faktide tabel: miks SI on oluline segu-signaali PCB-des

Mida see juhend hõlmab

Selles põhjalikus juhendis õpib te:

• Põhijärgid segatud signaali PCB-le tööstus
• Praktilised parimad tavad SI haldamiseks (koos võtmesõnadega kontrollitud takistus , differential pair routing , ja grounding strategies )
• 12-sammeline protsess tootetootlikkuse ja valmistatavuse maksimeerimiseks
• Täpsem käsitlemine läbipuurimist, kihtide paigutust, dekoplaadi kondensaatoreid ja muud
• Probleemide lahendamise nõuanded ja juhtumianalüüsid
• Uusimad tööriistad SI simulatsiooniks ja PDN analüüs

2. Mis on segu-signaali PCB disain?

A segatud signaali PCB-le on trükkplaat, mis integreerib analoog- ja digitaalkomponendid ühte alusele. See koondumine võimaldab kaasaegsetel seadmetel lohistada füüsilise—analoogilise—maailma ja digitaalse domeeni vahel, võimaldades kõike sensoritega varustatud IoT-toodetest kuni täiustatud automaatikaelektronikajuhtplokkeni.

Segu-signaali, analoog- ja digitaal-PCB domeenide määratlemine

• Analoog-PCB-d töötlevad pidevaid signaale – näiteks heli, temperatuuri või pinge tasemeid. Need signaalid on väga tundlikud müra, ristmõjude ja pisikeste pinge kõikumiste suhtes.
• Digitaal-PCB-d töötlevad diskreetseid loogikasignaale (0-d ja 1-d). Kuigi need võivad tunduda robustsed, on digitaalskeemid – eriti kiiretoimelised – olulised elektromagnetilise müra, maanduslõõtsade ja samaaegsete lülitavate väljundite (SSO) allikad.
• Segu-signaali PCB disain viitab paigutustele, kus nende kahe maailma peab koos eksisteerima, nõudes keerukat tähelepanu signaali terviklikkus , maandamine ja vooluahela terviklikkuse probleemid.

Segusignaallülituste tüüpilised rakendused

Segusignaallülitused on paljude missioonikriitiliste süsteemide aluseks, sealhulgas:

• Tööstusautomaatika: Reaalajas juhtimine kõrge täpsusega anduriliideste abil.
• Automaailma süsteemid: Infotaiment, akujuhtimine, ADAS ja mootorijuhtimine.
• Tarbijaelektronika: Mobiiltelefonid, kandvatavad seadmed, heliseadmed ja kaamerad.
• Meditsiinilised seadmed: Patsiendijälgimisseadmed, kujutise loomise süsteemid ja diagnostikaseadmed.
• Side: Maršruutijad, saatj-vastuvõtjad, SDR ja kõrgkiiruse võrguseadmed.

Tabel: Näidissegamudesseemelplaatide kasutusjuhud

Miks on segu-signaali PCB disain keeruline?

Peamiseks väljakutseks on signaali terviklikkus , sest:

• Digitaalskeemid tekitavad kiireid pingejumpsu (kõrge dV/dt, kõrge di/dt), mis tekitab müra ühistes maapinnas ja toitevõrkudes.
• Anaaloogahelad on haavatavad madala taseme mürale, isegi mikrovoltide tasemel, mis võib põhjustada SNR signaali-müra suhte (SNR) THD koguharmoonilise moonutuse (THD) ADCs.
• Kellad (nagu need, mis toidavad ADC integreerimist ) ja andmesirged ületavad mitmeid domeene, põhjustades ristmõju , tagasitee katkendlikkust , ja ajastusvigu.
• Halvasti realiseeritud grounding strategies ja PCB kihtide paigutus võib neid riske tugevdada, eriti tihedates mitmekihilistes plaatides.

Segasignaalsete põhiblokkide mõistmine

Edukas segasignaalne PCB tagab:

• Isolatsioon: Anaalogsignaalide hoidmine digitaalse müra eest paigutuse, maanduspoole jagamise või kaitserõngaste abil.
• Usaldusväärne teisendus: Tagades, et teie ADC-d (nt 12-bitised või 16-bitised) ja DAC-id edastaks täpsed, väikese häiritusega andmed, kasutades puhta kella levitamise võrku ja optimeeritud dekupleerimist.
• Juhitud takistus: 50 Ω üksikjuhtme või 100 Ω diferentsiaaljoonte jõustamine kõrge andmeside kiiruste jaoks, kasutades mikrolindi, ribalindi või ko-plaanarset lainejuhti struktuure.
• Tõhus toitevarustuse võrgustik (PDN): Ripplingu vähendamine ja stabiilsete pinge hoidmine sobivate dekopeerimis kondensaatorite ja toitekihi disainiga.
• Ekraanikaitse ja EMI haldamine: Punktsioonide kokkupanek, vase valamine või Faraday klatid kasutatakse olulistes tundlikes piirkondades.

3. Peamised signaaliterviklikkuse väljakutsed segu-signaali PCBde parandamisel

Robustse disainimine segatud signaali PCB-le on õrn tasakaaluharjutus: see nõuab tähelepanu analoogtundlikkusele ja digitaalloogika pidevale tegevusele ühises alusmaterjalis. Andmeside kiiruste tõustes ja plaaditiheduse suurenemisel muutub tugeva signaaliterviklikkuse tagamine (SI) mitte ainult keeruliseks – vaid hädavajalikuks. Allpool arutame peamisi signaaliterviklikkuse takistusi, mida igal segu-signaali PCB disaineril tuleb lahendada usaldusväärsete, kõrgetasemeliste toodete saavutamiseks. signaali terviklikkus (SI) muutub mitte ainult keeruliseks – vaid hädavajalikuks. Allpool arutame peamisi signaaliterviklikkuse takistusi, mida igal segu-signaali PCB disaineril tuleb lahendada usaldusväärsete, kõrgetasemeliste toodete saavutamiseks.

1. Ristmõju ja müra sidumine

Igal korral, kui anaaloog- ja digitaaljuhtmed kulgevad lähedased, eriti pikade paralleelsete vahemike vältel, tekitavad kiiresti muutuvad digitaalsignaalid vastastikuse poolestus- ja induktiivsuse kaudu müra tundlikele anaaloogliinidele – seda nähtust nimetatakse ristmõju . Kiirtes disainides võib see põhjustada olulisi vigu anaaloogmõõtmistes või andmete moonutusi. Halb differential pair routing ja sobimatud takistused tõhustavad seda probleemi.

2. Maanduslõõm ja maandusahela silmused

Ground bounce tekib siis, kui kiirete digitaalväljundite lülitumine toimub samaaegselt, põhjustades äratsoonseid muutusi maanduspinges. Need muutused (simultaanne lülitumine väljunditel ehk SSO) on eriti probleemseks juhul, kui anaaloog- ja digitaalsektsioonid jagavad mõnda osa või kogu maandustasapinda. See põhjustab mitte ainult digitaalse ajastuse veasid, vaid segab ka analoog-digitaalteisendajate, operatsioonvõimendi ja tundlike sensorite referentspingeid.

Maandusahela silmused esinevad siis, kui on olemas mitu maapealmist, moodustades soovimatud "antennid", mis võivad põhjustada hummi, oskilleerimist või keskkonna EMI vastuvõtmist. See teeb grounding strategies —nagu hoolikas paigutus ja ühepunktiline maapeaühendus— oluliseks segu-signaalide plaatidel.

3. Toitejaotusvõrgu (PDN) müra

Toitejuhtmetel esinevad kõikumised, mida põhjustavad kiired lülituvad koormused (digitaalsed IC-d, kellaajajuhtimised), võivad tekitada lained ja mürapurunemisi, mis liituvad otse analoogtoitejoontesse või analoogviitenputitesse. Kui dekaplivaatkondensaatorid on ebapiisavad, valesti paigutatud või nende ESR-omadused on halvad, siis toitekvaliteet kannatab. Ebastabiilne PDN ohustab mitte ainult SI-d, vaid ka ADC resolutsiooni (põhjustades džitterit, SNR kadu ja isegi funktsionaalseid vigu).

4. Takistuse katkendlikkused ja tagasitee katkemised

Kiirete digitaalsete signaalide käitumine on sarnane kontrollitud takistusega edastusliinidele (tavaliselt mikrolindi või ribalindi), ja iga katkendlikkus – näiteks halvasti disainitud läbiviik, ühendus või pooleldi katkestatud toite/maapinnase kiht – põhjustab signaali peegeldumisi, seismisi laineid ja takistuse mittevastavus . Samuti peavad analoog- ja digitaalsignaalide tagasitulemiste rajad olema lühikesed, otseste suunaga ning vabad katkete ja okstest, vastasel korral peegeldumised ja signaalkadega esinevad.

Tabel: Tavalised häired ja nende mõju

5. EMI/EMC probleemid

Elektromagnetiline häire (EMI) ja elektromagnetiline ühilduvus (EMC) on üldise ulatusega väljakutsed, eriti segnäitelahendustes. Kiire servaga digitaalskeemid toimivad EMI „saatjatena“, samas kui anaaloogsensorid, RF-sisendid ja ADC-d on haavatavad „ohvrid“. Ebapiisav kaitse , halb planeerimine ja vajalike ühenduste puudumine võivad pöörata plaadi ringseks antenniks, ohustades reguleerivate nõuete vastavust.

6. Signaali ajastuse ja kella levitamise probleemid

Ebatüüpiline kella levitamise või liialt suur kella džitter võib tekitada ajastuselihutusi (skew) erinevate domeenide vahel, põhjustades ennustamatud viivitused, metastabiilsuse ja andmesignaalide vigu – eriti olukorras, kus toimub kella domeenide ristumine . Analogo-digitaalkonverterid (ADC) ja digitaal-analogkonverterid (DAC) on eriti haavatavad kella müra ja džitteri suhtes, mis halvendab efektiivset ribalaiust ja täpsust.

7. Ebapiisav simuleerimine ja enne paigutust teostatav analüüs

Nüüdisaegse printimise keerukus muudab ohtlikuks töötada ilma sihikindla SI simulatsiooniks ja võimsuse terviklikkus (PI) analüüs. Simulatsioonitööriistad (nagu HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) võimaldavad kujundajal tuvastada ja parandada peenikesi probleeme – nagu pikkuse sobimatuse, tagasitee katkendlikkuse, parasitaarset mahtuvust ja soojuskohti – juba enne tootmist.

4. Parimad tavade ja peamised kaalutlused

Disaini tegemine segatud signaali PCB-le erakordsega signaali terviklikkus nõuab nuantseeritud, terviklikku lähenemist. Igal otsus – alates kihi järjestusest kuni võimsusjaotuseni – võib mõjutada plaadi lõplikku toimivust reaalsetes kasutustingimustes. Selles jaotises avastad olulisi, rakendatavaid parimaid tavasid, mis käsitlevad nii disaini aluspõhimõtteid kui ka edasijõudnud tehnikaid anaaloog-/digitaalintegreerimiseks.

1. Planeeri plaadi eraldamine varakult

Selge funktsionaalne eraldatus on eluliselt tähtis. Määrata eraldatud alad analoogse PCB ja digitaalse PCB süsteemid skemaatilise kujunduse ja paigutuse planeerimise ajal. Füüsiline kaugus vähendab märkimisväärselt müra sidumist, maanduslõõkamist ja ristmürki domeenide vahel. Reegel: ära juhi digitaalseid kella- või kiirside andmesignaale analoogkomponentide all ega nende läheduses.

Peamised toimingud:

• Paiguta ADC, andurid ja analoogtugevdajad võimalikult kaugele ostsillaatoritest, FPGA-dest, lülitusregulaatoritest ja kõrge sagedusega kristallallikatest.
• Joonesta suuremad digitaalsed andmebussid nii, et need oleksid risti oluliste analoogsignaaliteede suhtes, et piirata kapasitiivset sidumist.

2. Optimeeri oma PCB kihtstruktuuri

PCB kihtide paigutus mõjutab kõike elektromagnetilise häirekindlusest takistuse kontrollini. Kasuta kihtstruktuuri, kus kõrge sagedusega signaalkihid on paigutatud tahketesse, katkematutesse maanduskihtidesse (ja vajadusel toitekihtidesse). See loob mitte ainult kontrollitud takistusega edastusliinid, vaid võimaldab ka lühikesed, otsehambased tagasitee kiirete impulssvoolude jaoks.

3. Peamised maandamise strateegiad

Maandamine on segatud signaalide terviklikkuse nurgakivi. Üldiselt on olemas kaks mõttekoolkonda:

• Ühepunktine (tärn) maandus: Eriline ühenduspunkt loob analoog- ja digitaaltagasivoolude vahel kontrollitud ühenduse – eriti efektiivne madala- ja keskmise sagedusega lahendustes.
• Pidev maandustasapind: Kõrgema kiiruse/sagedusega lahendustes pakub tahke, pidev vasekiht koos hoolika segmentatsiooniga (vajadusel) lühimad tagasivoolu radad ja vähendab elektromagnetkiirgust.

Parimad maandamise tehnikad segatsignaallülitustele:

• Välti maasilmusi tagades igale ahelaosale ainult ühe tagasivoolu tee.
• Ära jaga maandustasapinda mõttetult. Jaga ainult siis, kui see on täiesti vajalik, ja alati ühenda see ühe, väikese takistusega punktiga ADC või peamise konverteri all.
• Kasuta kaitserõngaid või vasest täitet kõrge takistusega analoogliinide ja kriitiliste analoogsüsteemide ümber, et neid veelgi paremini kaitsta.

4. Juhtida takistust ja kasutada diferentsiaalpaaride marsruutimist

Kiiretoonelised digitaalsed jäljed tuleb marsruutida kui kontrollitud takistus liinid, sobitatuna liidese nõuetega (tavaliselt 50 Ω üksikjuht, 100 Ω diferentsiaalne). See minimeerib signaalide peegeldumise ja seismilised lained. Diferentsiaalse side (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) puhul on olulised jälgvahed ja pikkuse sobivus.

5. Tagada kindel toitevarustus ja dekoplaž

Teie toitevarustuse levitamise võrgu (PDN) vajab tõsiseid insenerilahendusi.

• Kasutage eraldi regulaatoreid või filtreeritud domeene analoog- ja digitaaltoitele. Madala müra LDOd (lineaarsed regulaatorid) analoogele, lülitusregulaatorid (SMPS) digitaalsetele koormustele, vajadusel filtreerituna.
• Paigutage strateegiliselt dekoplažikondensaatorid (kõrge/ madala sageduse filtreerimise mitme väärtusega) võimalikult lähedale IC toitepingele. Valige kondensaatorid madala ESR-ga ja kasutage keramiliste MLCCde segu (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF jne).
• Kasutage ferriitkuuleid või väikesed isoleerivad induktori analoog- ja digitaalpindade/vooluahelate vahel.

Näide dekopeerimistabel

6. Eelistada EMI/EMC haldust

Rakendada mitmekihilist lähenemist:

• Kasutage ekraanikatteid ja metallkapsleid kõrge riskiga analoogsete ja RF-segmentide jaoks.
• Via-õmblus (regulaarselt paigutatud maandusviad) anaalogsete sektsioonide ümber ja plaadivaheliste servade mööda piiravad tagasivoolud, vähendades EMI „väljaleket“.
• Hoolikas kella marsruutimine : Kellaliinid peaksid olema lühikesed, suunatud eemale analoogaladest ning kaitstud naabermulli jalgade või tasandite poolt. Vältige kellade marsruutimist piluga või poollise maaala kohal, et ennetada kiirgust.

7. Kinnitage simuleerimistööriistadega ja DFM kontrollidega

Ärge arvake – simuleerige! Kasutage SI simulatsiooniks ja PDN analüsaatorit tööriistu (näiteks HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity või Altiumi/OrCADi sisseehitatud tööriistu) järgnevate hindamiseks:

• Signaali silmad
• Ristmõju ennustused
• Tagasitee terviklikkus
• Toite- ja maandusripud
• Soojuspunktid/haldamine

5. 12 sammu optimeeritud efektiivse segu-signaali PCB disaini loomiseks

Valdamine signaali terviklikkus praktilise, astmelist protsessiga asub südamikus segu-signaali PCBde millel on usaldusväärselt töötada reaalsetes tingimustes. Allpool tutvustame 12 tõestatud sammu – igaüks neist peegeldab tööstusharu parimaid tavasid, levinud püüdlusi ning rakendatavaid inseneriteadmisi.

Samm 1: Eralda anaaloog- ja digitaalosad varakult

1.1 Tuvasta anaaloog- ja digitaaldoomid

• Vaata üle oma skemaatiline diagramm, et kategoriseeri komponendid puhtalt analoogseteks, digitaalseteks või segmooduliteks (näiteks ADC-d, DAC-id, CODEC-id).
• Märgista iga ahela funktsioon: väikese müra analoogahel, digitaalloogika, kõrge sagedusega kella genereerimine jne.

1.2 Strateegiline paigutus

• Füüsiliselt eraldage analoog- ja digitaalpiirkonnad prindiple kihi paigutuses.
• Juhtige analoogsignaalid eemale digitaalsetest andmebussidest ja vältige digitaalsete juhtmete asetamist analoog IC-de all.
• Kasutage silprinti või vase märke piiride tähistamiseks, mis aitavad montaažil ja veaparandusel.

Samm 2: Valige komponendid sobivate liidestega

Erinevate alamsüsteemide integreerimisel aitab õige liidese protokolli valik parandada mõlemat tulemus ja signaali terviklikkus .

Levinud liidesed ja parimad kasutusjuhud

Samm 3: Täpsema mõõtmise jaoks ADC funktsionaalsuse parandamine

3.1 Valige ülesandele sobiv ADC

• Arvestada peamised ADC spetsifikatsioonid : Resolutsioon (12, 16, 24 bitti), SNR, THD, maksimaalne näidisvõtvemäär, sisendtakistus, viitenäitepinge stabiilsus.
• Valige rakendusele sobiv arhitektuur: SAR, Sigma-Delta või Pipeline ADC-d.

3.2 Pakutakse stabiilseid kellafoore ja eraldada müragallikad

• Kasutage madala hälvitusega ostsillaatoreid. Kella hälvitus halvendab efektiivset bittide arvu (ENOB) kiiretes ADC-des.
• Eraldage kella juhtmed füüsiliselt mürgastest digitaalsetest sidebussidest.
• Lahutage ADC toide madala ESR-ga kondensaatoritega.

3.3 Hoidke toitespännid puhtana

• Paigutage toitekondensaatorid (10–100 µF koos 0,1 µF keramiilistest) võimalikult lähedale ADC Vref jalale.
• Toitejuhtmete ümber asetsevad kaitserõngad vähendavad edaspidist müra.

Samm 4: Efektiivse PCB kihi disainimine

Hoolikalt läbi mõeldud PCB kihtide paigutus on segusignaalide edukuse aluseks.

• Asetage kiired signaalikihid tahketel toitekihtidel naabruses.
• Vältige maandus- või toitekihtide katkestamist juhtmete all.
• Säilitage kihisümmeetria, et minimeerida paindumist/kõverdamist ning tagada ristmüravaba töö.

Samm 5: Rakenda tõhusaid pinnituse strateegiaid

• Ühepunkt ühendus analoogi- ja digitaalmaanduse vahel (tavaliselt ADC juures).
• Kasutage mahtuvus- ja induktiivsuse vähendamiseks tugevaid, laiaid vasevalamisi/kaareid maandusradade jaoks.
• Kasutage kaitsejälgi ja vasevalamisi tundlike analoogsignaalide ümber.

Samm 6: Optimeerige toitevarustuse jaotamine ja dekapleerimine

6.1 Kasutage eraldiseisvaid toiteallikaid

• Eraldage analoog- ja digitaaltoited. Kasutage analoogkomponentide jaoks LDO-sid ning digitaalkomponentide jaoks lülitavaid toiteallikaid/ferritfiltrisse.
• Toite ADC-sid ja teisi kõrge täpsusega komponente võimalikult puhta toitepinge all.

6.2 Dekapleerimiskondensaatorid müra filtreerimiseks

• Paigutage igale kiibile kombinatsioon kõrgsageduslike (0,01–0,1 µF) ja mahukate (1–10 µF) MLCC-kondensaatorite seeriist.
• Minimeerige silmuse pindala, hoides juhtmed kondensaatorist pereni võimalikult lühidana.

Samm 7: Analogo- ja digitaaljuhtmete efektiivne trasseerimine

• Ärge kunagi ristuge analoog- ja digitaaljuhtmetega —säilita kihtiline, eraldatud marsruutimine.
• Vältige suurkiiruslike jooksevate juhtmete paigutamist tagasivoolu murduste või maandevahedega kohas.
• Sobitage suurkiiruslike/erinevpaaride juhtmete pikkused; kasutage täpsete laiuste jaoks takistusarvuteid.

Samm 8: Rakendage soojushalduse strateegiaid

• Tuvastage soojusgeneraatorid (regulaatorid, suure vooluga draiverid, protsessorid).
• Kasutamine soojusläbipuurimised ja eraldatud vasevalamid (soojuspadjad), et tõmmata soojus sisemisele või vastaskihile.
• Kaaluge sunnitud õhuvoolu, radiaatoreid või isegi sisseehitatud vaski, kui võimsustihedus on kõrge.

Samm 9: Sünkroonige kella jaotus ja parandage segu-signaalide disaini

• Jaotage kellafoorid väikese kallutusega puhvritega.
• Juhtige taktloendurid lühikeste, otsestega, mis on kaitstud maaplaanide poolt.
• Vältige taktloenduri juhtmeid pooleldi katkiste maaplaanide kohal – säilitage pidevad viitmaaplaanid.

Samm 10: Rakendage häirete haldamiseks ekraani

• Kasutamine Faraday korgid , metallist kaitsekannud või tahked vasekarbid eriti müra-tundlike analoog-/RF-sektorite jaoks.
• Paigutage ekraanitud alade ümber ning laua servade äärde tihesti paiknevaid maaviasid.

Samm 11: Simuleerige segu-signaali mitmekihilist PCB-kujundust

• Kasutage SI/PI simuleerimisvahendeid (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI), et analüüsida:
  • Impedantsi pidevust
  • Silma-diagramme ja džitterit
  • Võimsusrippel
  • Tagasitee ja ristmõju ohuohud

Samm 12: Valmistuge ja allalaadige tootmisfailid

• Vaadake üle ja lõpetage kihtide joonised, olulised materjaliandmed (nt kupari paksus , dielektrilised konstandid, puuraukude tüübid).
• Veenduge impedantsikontroll ja testimispunktide tähistused on selged Gerberi failides.
• Lisage kommentaarid kaitstud alade, põimimisaukude ja soojusläbitugede kohta.
• Kaasake põhjalik nettiloend ja funktsionaalse testimise ligipääs mõlemale domeenile.

6. Puuraukude mõistmine ja nende mõju signaaliterviklikkusele

Vias —väikesed vertikaalsed ühendused, mis ühendavad kihte segatud signaali PCB-le —jäetakse tihti tähelepanuta kui põhjus halvaks signaali terviklikkus . Kuid kui taktisagedused ületavad sadasid MHz või isegi jõuavad GHz piirkonda, siis mõjutab viaheline struktuur aina dramaatilisemalt kõike, alates edastusliini takistusest kuni ristmõjude ja maapinnasümpinguteni. Kindla kiirendus- või analoogtoimivuse saavutamiseks on viaomaduste mõistmine ja optimeerimine oluline.

Viate tüübid ja nende roll seguahelplaatidel

Viat leidub erinevates vormides, millel on igaühel konkreetne mõju signaali kvaliteedile:

Läbipuu induktiivsuse ja mahtuvuse mõju

Tüüpilisel kõrge kiirusega PCB , induktiivsuse kaudu ja kondensaator on koguks tuntud kui parasiitsed elemendid —ebaratsionaalsed kõrvenefektid, mis moonutavad kiireid signaale. Need efektid on eriti probleemseks kontrollitud takistus (nt 50 Ω üksikjuht, 100 Ω diferentsiaalne) keskkondades.

Peamised efektid:

• Parasiitne induktiivsus põhjused:
  • Aeglasemad servad, kõrgsageduslik langus
  • Peegeldused, signaali ületõus ja ringimine
• Parasiitne mahtuvus põhjused:
  • Kohalikud takistuslangused, moonutus kiiretel servadel
  • Suurenenud dialektsida via-de vahel või naabermoodulitele

Näide: 10 Gbps andmeside

Via, millel on 1 mm stub (ühendamata ots PCB sees), võib tekitada resonantsi mitmes gigahertsis, moonutades tugevalt 10 Gbps jadasiirgussignaali. Selle stubi eemaldamine või lühendamine (via tagurpidi puurimine või pimese mikrovia-de kasutamine) toob signaali amplituudi, silma laiuse ja ajastusvärina tagasi spetsifikatsioonide sisse.

Via-optimeerimise ja signaaliterviklikkuse strateegiad

Via-de kasutamise optimeerimine on üks kõrgeima prioriteediga otsuseid kiiretes ja segu-signaalsetes printplaatides. Siin on olulised parimad tavased:

• Minimeeri via-de arv kõikidel kriitilistel kiirete või tundlike analoogjooksvöönditel.
• Kasuta mikrovia-sid või lühikesed pimesillad pikemate läbiviiste asemel GHz+ marsruutidel.
• Vältige viaste stubbe :

• • Kasutage võimalusel tagurpidi puurimist, et eemaldada liigne via kest aktiivse kihista all.
  • Või piirake via üleminekuid „kihist-kihini“ ilma üleliigsete sabata.

• Optimeerige via paigutust :

• • Säilitage diferentsiaalpaarides sümmeetria.
  • Hoidke kiireid viaid lähedal viitenurga maandusviadega (via-stitching), et vähendada silmuse pindala ja toetada tagasitee tekkimist.

• Lähedus maandustasanditele : Digitaalsete ja segatud signaalide puhul asetage alati signaali via lähedale maandusvia, et vähendada kiirgatava EMI ohtu.

Tabel: Via Optimeerimise Juhised

Näitaja suhe arvestuses tootmiskõlbulikkuse ja SI seisukohalt

Kõrguse suhe (via augu sügavus läbimõõduga) mõjutab nii tootmist kui ka signaali kvaliteeti. Kõrge suhe muudab plaatimise ebapidevaks (tühimike või avatud torude oht) ja suurendab via takistust, eriti HDI disainides.

• Soovitatav suhe: ≤10:1 tavalise läbiviaga; palju väiksem mikroviaga
• Kasutusjuhtum: 1,6 mm paksuse PCB korral võimaldab minimaalne 0,16 mm (6,3 mil) via puurimine ohutut plaatimist

SI näide: Mikrovia vs. Läbivia kõrgkiirusega jadasides

Telekommunikatsiooni disainer, kes integreeris 12-kihilise segu-signaali tagaseina, asendas vananenud läbipuuritud augud 6,25 Gbps SerDes paari puhul tagantpuuritud pimedate mikroaukudega. Silmaagrammi häire langas 31%, ristmõju (5 GHz juures) pooleks ja disain läbis esimese EMI-testi – see tõestab kaasaegse augustrateegia otsese signaaliterviklikkuse kasu.

Parimate tavade kokkuvõte

• Valige augutüübid ja -struktuurid vastavalt signaali terviklikkus nõuetele, tootmistehetavusele ja plaatide kihtkondadele.
• Simuleerige (kasutades Ansys SIwave, HyperLynx või Altium’ SI tööriistu) kõiki võimalikke augude sidumise, resonantsi või peegeldusriske – eriti liinidel üle 500 Mbps või kriitiliste analoogsignaalide korral.
• Kaaluge alati signaaliterviklikkuse nõudeid koos DFM-tagasisidega teie PCB-tootjalt usaldusväärsete konstruktsioonide saavutamiseks.

7. Maanduskihi strateegiad kiiruste ja segu-signaali PCBde jaoks

Õigesti projekteeritud maa tasand on vaikne kaitsevaim iga kõrgetootekohase signaaliterviklikkuse tagamisel segatud signaali PCB-le . Kui digitaalsed kiirused kasvavad ja analoogtäpsus suureneb, muutub maandussüsteem iga signaali kriitiliseks tagasipöördepunktiks, EMI vastu kaitseks ning kõigi analoog- ja digitaalmõõtmiste „nullvoltine“ viitenpunkt. Siiski võivad peened veapooled maandustasandi paigutuses vaikseti hävitada isegi arenenumad lahendused.

Maandustasandi roll segu-signaalidega trükkplaatidel

Mõlemas analoogse PCB ja digitaalse PCB alamsüsteemides täidab maandustasand kolme olulist funktsiooni:

• Signaali tagasipöördepunkt: Tagab madala takistuse ja otsest rada allika ja koormuse vahel nii kiirete digitaalsete kui ka tundlike analoogsignaalide puhul.
• EMI mähitamine: Pakub pidevat kaitset, mis neelab ja piiritleb kiirguse, vähendades nii sisemist ülekattet kui ka välise häiringu imendumist.
• Viite stabiilsus: Säilitab järjepideva pingeviite, mis on hädavajalik ADC integreerimisel ja täpsetel analoogmõõtmistel.

Parimad tavad maandustasandi rakendamiseks

1. Kasutage tahket, katkematut maandustasapinda

• Pühendage terve kiht (või mitu kihti) katkematuks maanduseks.
• Vältige selle tasapinna lõikamist, pragulistmist või segmenteerimist signaalijäigade all.
  • Tegelikkus: Iga pinnas, lõige või katkend maandustasapinnas kiire signaalijäiga all sunnib tagasivoolu mööda minema, suurendades drastiliselt silmuse pindala, elektromagnetkiirgust ja tundlikkust müra suhtes.
• Paigutage kiired ja kõrge resolutsiooniga analoogahelad otse oma viitemaanduse kohale, lühendades tagasivoolu „silmusi“ ning vähendades parasiitinduktiivsust.

2. Eraldage analoog- ja digitaalmaandused – distsipliiniga

• Paljude seguahela printplaatide puhul on mõistlik loogiliselt (mitte alati füüsiliselt) eraldada analoog- ja digitaalmaandused, ühendades need üheainsa tärnimpunkti —tihti otse ADC-l või DAC-il. See takistab müra roppavat digitaalset tagasivoolu, mis võib saastada analoogviited.
• Kasutage füüsilisi tükeldusi ainult siis, kui see on vajalik ; kunagi ära tükelda ilma põhjuseta ja alati paku madala takistusega „sild“ oluliste teisendus/liidese punktides.
• Vältige pikki paralleelseid analoog- ja digitaalmaaplaadijõude, mis võivad toimida antennidena.

3. Õmble maaplaanid kokku viade abil

• Kasutamine via-õmblus ümber ekraanitud tsoonide, laua servade ja kõrvalasuvate kiirte signaaliviade juures. Tihedalt paigutatud (≤2 mm) maaviad tagavad tõhusa EMI piiramise ja pingestavad signaali tagasivoolu kontuuri.
• Diferentsiaalsete või kiirete paaride puhul, mis ületavad plaane, veenduge, et signaaliviade kõrval oleksid maaviad, et tagada sobiv tagasivoolu juhtimine.

4. Kasutage mitmekihilisi maaplaane kriitilistel rakendustel

• Mitmekihilised PCB-d (nt 4, 6 või rohkem kihist) peaksid alati olema varustatud üle ühe maapinnaga madala takistusega tagasitee ja täiendava ekraaniga. Kaalu „maaplaatide sändviisi“ kasutamist, kus kaks maaplaati piiritlevad signaalkihti.
• Näidisstack-up:  
  • Kiht 2: Terviklik digitaalne maapind
  • Kiht 4: Anaaloogmaa (ühendatud ADC tähipunkti kaudu)
  • Kiht 6: Korpuse või kaitsemaa (kere või RF-rakenduste jaoks)

Praktilised juhised maaplaanide kohta – tabel

8. Voolu integriteet: Puhta toitevõrgu tagamine

Disainimine usaldusväärseks voolu integriikus (VI) pole lihtsalt seotud pinge tarnimisega teie seadmetele – tegemist on iga tundliku analoogse esiosaga, iga kiire digitaalse signaaliga ja iga täpsuskonverteriga, kes peab alati saama müra vaba, stabiilse toite igas reaalmaailma koormustingimustes. Segnähtudega PCB disainis on vool jaotus strateegiad sama olulised signaali terviklikkus kui maandamine ja takistuse kontroll.

Miks toiteintegritet on oluline segatud signaali PCB-des

Müra või nõrk toitevõrgustik (PDN) võib hävitada isegi kõige parema anaalooge või digitaalse paigutuse. Kaaluge järgmist:

• Toiteallika ripp võib otseselt siduda ADC integreerimist , vähendades tõhusat resolutsiooni ja SNR-i ning põhjustades jitterit taktitud liidestes.
• Ajutised langused ("maanduslangused") kiirest digitaalsest lülitamisest tekitavad ground bounce või ristmõju, mida anaalloogahelad võivad võimendada või demoduleerida.
• Ebapiisav dekaplivaatkondensaatorid või halvasti paigutatud mahukondensaatorid võivad lubada pingejuhtmetel võnkuda või helisema, mis võib potentsiaalselt moonutada loogikaseisundeid ja andurilugemisi.

Puhaste võimsusjuhtimise strateegiad

1. Eraldage analoog- ja digitaalvõimsuse piirkonnad

• Kasutage alati kui võimalik eraldi analoog- ja digitaaltoite. Toitke analoogpiirkonda madala müra lineaarregulaatoritest (LDO-d), samas kui kõrge efektiivsusega lülitusvoolud (SMPS) võivad varustada digitaalpiirkondi.
• Kriitiliste sensorite või kõrge resolutsiooniga ADC-de puhul lisage täiendav analoogtoite filter (LC või ferriidkerake + kondensaator).
• Eraldage füüsiliselt analoog- ja digitaalvõimsuse tasandid või valamised, et veelgi paremini isoleerida tundlikke sektsioone.

2. Kasutage PDN analüüsi ja takistussihid

• Määratlege ja simuleerige oma PDNiga PDN analüsaatorit tööriistad (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys jne), et tagada kõigile kiipidele stabiilne pinge nende maksimaalse koormuslanguse korral.
• Seadke iga raja jaoks takistussihtmärgid (Z_target). Moderni loogika (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V rajad) puhul võib see olla kõrge vooluga juhtmetel alla 10–20 mΩ.

3. Kihtidekujuline dekopeerimiskondensaatori paigutus

• Paigutage MLCC-de kombinatsioon (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) võimalikult lähedale igale toitepingile – eelistatavalt otse selle alla või kõrvalolevale kohale lühima võimaliku teega.
• Kasutage suuremaid mahukondensaatoreid (10 μF, 22 μF, tantaal- või keramik) IC-de rühmade läheduses või toitepääsu juures.
• Kiirete digitaalsete IC-de (FPGA, MCU, DDR) puhul kasutage lisaks kohalikku dekopeerimist, et vähendada samaaegset lülitushäiret (SSO).

Näide: Dekopeeriv kondensaatorite tabel segu-signaali PCB jaoks

4. Vähendage vooluplaadi takistust ja resonantsi

• Maksimeerige voolutara paksust (≥1 unts/ruutsjümm) ja ala kriitiliste analoogiribade jaoks madala takistuse saavutamiseks.
• Hoidke plaadikujud lihtsana ja katkematutena. Vältige kitsaid kaelu või harusid, mis suurendavad kohalikku takistust.
• Juhtige lühikesed, laiad juhtmed allikast (regulaator) koormuseni, mitte läbides kõrge müra tsoone.
• Vältige kiirete signaalijuhtmete paigutamist mürgaste või poollõigatud vooluplaatide peale nii palju kui võimalik.

5. Ferriidkerad, LC-filtrid ja eraldamine

• Paigaldage analoogiribade sisselaskekohtadesse ferriidkerad digitaalse lülitusmürast (nt MCU tuumamüra, kellaahelad) blokeerimiseks.
• Kasutage ultra-madalate müraga ADC-ridade või andurite ergutusahelate jaoks LC Pi-võrgufiltreid.

Juhtumiuuring: ADC müra kõrvaldamine segatsignaalplaadil

Tööstuse IoT-sensorimoodul näitas analoogsete mõõtmiste puhul juhuslikke tippväärtusi, kui traadita saatja käivitas kiire andmeside. PDN-analüüs näitas, et suured lülitusvoolud sidarusid ühise 3,3 V toitejuhtmega, mis mõjutas ADC viidet. Pärast ferriidkuuli lisamist, täiendavaid kohalikke dekoplažisillutusi ning analoogse VREF eraldamist digitaalsest VCC-st paranes ADC SNR 22 dB võrra ja müra tipud kadusid täielikult.

9. Tootmiskõlblikkusega projekteerimine ja koostöö tootjatega

Projekteerimine või kui põhjalikud on teie segatud signaali PCB-le simulatsioonid, teie plaadi edu sõltub lõppkokkuvõttes sellest, kui hästi seda saab valmistada, testida ja monteerida teie valitud tootja poolt. signaali terviklikkus —ja kunst koostöö tegemisel PCB-tootjatega—tagab, et kõik teie SI eesmärgid realiseeruksid sujuvalt reaalseteks, usaldusväärseteks riistvaradeks. Tootmiseks kujundamine (DFM) —ja kunst koostöö tegemisel PCB-tootjatega—tagab, et kõik teie SI eesmärgid realiseeruksid sujuvalt reaalseteks, usaldusväärseteks riistvaradeks.

Miks on DFM oluline segu-signaalsete PCBde ja SI edu jaoks

Modernsed segu-signaali PCB-d kasutavad sageli väikese sammuga komponente, HDI kiud, täpset takistuse reguleerimist, tihkeid vahelülituste paigutusi ja nõudlikke toite-/maanduskihtide kavandusi. Kui teie disain ei taga kvaliteetset valmistamist suures koguses või eeldab pidevat parandustööd valmistamiseks sobimatute funktsioonide tõttu, siis kulutatakse kogu signaaliterviklikkuse töö asjata.

Segu-signaali ja kõrgsageduslike disainide olulisemad DFM-tüübiga kaalutlused

1. Kihiülesanne ja materjalide saadavus

• Kinnitage oma plaanitud PCB kihiülesanne oma tarnijaga enne paigutuse lukustamist – küsige saadaolevate kihtide arvu, minimaalse dielektriku paksuse ja vasekaalu kohta.
• Kasutage tootja laos olevaid materjale (FR-4, Rogers, madala kaotusega laminad), mis vastavad teie SI eesmärkidele täpselt reguleeritud takistuse, madala ristseose ja kõrge eraldusvõime osas.
• Kinnitage kihi sümmeetria (vähendamaks venitumist), eriti kõrgsageduslike ja HDI-plaatide puhul.

2. Vahelülituse tüübid, kuju suhe ja puurimise piirangud

• Jagage oma projekti vahelülituse nõuded (läbipuuritud, mikrovia, pime/maetud) ja veenduge, et teie disain sobiks valmistusvõimalustesse.
• Pidage kinni aspektsubsidest ≤10:1 läbipuurimisaukude puhul või kasutage HDI jaoks astmelisi/kihistunud mikroviasid.
• Vältige „eritöötlemist“ (nt tagasipuurimise jääke), kui see ei ole SI jaoks täiesti vajalik—kuna need suurendavad maksumust ja võivad vähendada väljundit.

3. Takistuse reguleerimine—simulatsioonist reaalsusse

• Teavitage sihttakistusi kõigi edastusliinide kohta (50 Ω, 100 Ω diff, jne) ja viidake oma kihi geomeetriale tootusmärkustes.
• Taotlege testimokke või protsessisiseseid takistuse kontrollimisi, et kinnitada, et olulised võrgud vastavad tehnilistele nõuetele.
• Kinnitage tootja võimekust täpseks etšimiseks, plaatimiseks ja dielektriku kontrollimiseks.

4. Vaskpaksus, anulaarne rõngas ja juhtmete laius/vahe

• Määrake juhtmete laius/vahe ja vaskpaksus vastavalt IPC juhistele ja tootja piirangutele.
  • Tundlike analoog- ja võimsusjuhtmete puhul kaaluge ≥1 untsi/ft² vasest, et saavutada kindel PI ja madal pinge langus.
• Veenduge, et viade ümber asuvad rõngased katted (plaatimise usaldusväärsuse huvides) vastaksid tootja minimaalsetele nõuetele.
• Kontrollige miinimumpuude vahemaid — eriti tihedates segu-signaalsetes ja BGA-tsoonides.

5. Testimine ja mõõtekohtade ligipääs

• Kaasake mõõtepunktid nii analoog- kui digitaalsõlmedesse; koostöös oma monteerija organisatsiooniga veenduge, et fiktuurid saaksid jõuda kõigile olulistele võrgustikele, ilma et takistaks kõrgeid komponente, ühendusi või kaitsekorgisid.
• Projekteerige ahela- ja funktsionaalse testimise jaoks — need võimalused tuvastavad sageli SI- või montaaživead.

Efektiivne koostöö PCB-tootjatega

• Jagage varakult ja tihti: Esitage kihtide paigutus, impedantsi sihtmärgid, olulised paigutused ja tiheduskaardid oma tootjale esimesel võimalusel.
• Taotlege DFM ülevaadet: Kutsume tagasisidet küsima mis tahes „punaste sinalite“ kohta (nt ehitamatu struktuuride tõttu, piiratud vasevahed, soojamanagementi probleemid).
• Küsige lisaväärtusega toimingute kohta: Mõned trükikaartide valmistajad pakuvad siimulatsiooni kodus, automaatset võrkvälja kontrolli või täpsemat testimist/kontrolli (näiteks röntgenuuring HDI jaoks).
• Ühiselt prototüübi tagasiside läbi vaadata: Analüüsige koos esimest tootmisversiooni sulami defekte, ootamatut mahtuvust/induktiivsust või SI/EMI kuumkohti ning teostage vajadusel kordusi enne tootmismahu suurendamist.

DFM ja tootjaga koostöö kontrollloend

Reaalne näide: tootmiskiiruse parandamine DFM-iga

Juhtmeta IoT-konsool, millel oli 10-kihiline segu-signaali PCB, ei läbinud esialgset tootmisvoogu diferentsiaalsete USB-juhtmete takistustesti. Probleemi põhjus: etteantud madala Dk-ga prepregi lubamatud asendused põhjustasid juhtmetakistuse tõusu 100 Ω-lt 115 Ω-ni, mis ei vastanud nõuetele. Koostöös valmistajaga, kinnitades kõik materjalid ja lisades kihi dokumentatsiooni Gerber-failidesse, läbis disain järgmisel partiiel nii SI kui EMI/EMC testid – tagades 100% kasulikkuse.

10. Segu-signaali PCBde testimine usaldusväärsuseks

Põhjalik testimine on viimane kindlustus segatud signaali PCB-le kvaliteet ja signaali terviklikkus . Isegi hoolikalt läbi mõeldud platid võivad peita tootmisvigasid, SI-probleeme või etteaimamata reaalmaailma haavatavusi. Komplekssete valideerimise strateegiate rakendamisel, mis hõlmavad nii anaaloog- kui ka digitaalalamsüsteeme, kaitstek oma toote funktsionaalsust, vastavust ja pikaajalist usaldusväärsust.

Miks on kompleksne testimine kriitilise tähtsusega

Segsignaalsete printsiirdeplaatide eripäraks on anaaloogsensitiivsuse ja kiire digitaallülituse kombinatsioon – see loob testikeskkonna, kus isegi väikesed häired või parasiitsed efektid võivad põhjustada süsteemitaseme veo. Avastamata probleemid, nagu maanduslõõk, pingetransientid või kella dross, võivad rikkuda kuudepikkuse disainitöö ja minimaalsete töökindluse väljatõmbamisega.

Peamised testsed tühjad segsignaalsetele printsiirdeplaatidele

1. Funktsionaalsustest

• Eesmärk: Kontrollib, kas anaaloog- ja digitaalahelad vastavad disainispetsifikatsioonidele.
• Meetodid:  
  • Sisesta teadaolevaid anaaloogsignaale ja kontrolli ADC/DAC ülekandefunktsioone lineaarsuse, SNR ja THD suhtes.
  • Kasutage loogikaanalüsaatoreid ja protokollitestijaid, et kontrollida digitaalsete sidebusside (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) õiget ajastust, veatu ülekannet ja protokolliga vastavust.
  • Rakendage tagasisideahelates mustrite ja enesekontrolliva püsivara ruttiine plaatide taseme initsialiseerimiseks.

2. Keskkonnamõjude koormustest

• Eesmärk: Tuvastab peidetud defektid või SI-vulneratsuseid temperatuuri, niiskuse ja vibreerimise äärmustes.
• Meetodid:  
  • Temperatuuritsükeldus (nt –40 °C kuni +85 °C), nii toitega kui ilma toiteta.
  • Niiskusesoandumistestid, eriti olulised analoogse esiosa või keskkonda avatud kiirete sisend/väljundliini puhul.
  • Vibreerimis- ja löökkoormuse simuleerimine – signaali katkemiste, maanduslangu või ühendustegevate SI-probleemide jälgimine.

3. EMI/EMC vastavustest

• Eesmärk: Tagab, et plaadi emissioonid ja tundlikkus jääksid reguleerivate piirnormide sisse (FCC, CISPR, autotööstus, meditsiin jne).
• Meetodid:  
  • Kiiritatud emissioonid: skaneerige plaati anekoohelises kamberis, et mõõta EMI-d müratsevatest kella- ja andmesirgetest ning toitepiirkondadest.
  • Juhtivus emissioon: Hinda, kas müra sisestatakse plaadi toitejoontele.
  • Immunoosustesti: Säilita plaati RF-energiaga või ESD-pulssidega ja kinnita stabiilne anaaloog-/digitaaltoimimine.

Segatud signaali PCB testimiseks kasutatav tavaline seade

Parimate tavade testimise töövoog

• Planeeri testimispunktid paigutusse: Kaasa arvatud analoog- ja digitaalne ligipääs—tagades segamatu ala ostsilloskoobi, loogikaproovi või RF-mõõtmise jaoks.
• Käivita enne tootmist SI/PI simuleeringuid: Kinnita kriitilised võrgud virtuaalses prototüübis enne seadmele üleminekut.
• Prototüüp, silu ja dokumenteeri: Analüüsi varajasi koostööd SI erinevuste suhtes (silmalaik, häiritus, müra) ning logi põhjuseid/korraldustoiminguid.
• Teosta põhjalik vastavustestimine: Isegi mittehinnatud tooted saavad kasu EMI/EMC-testidest, mis paljudel juhtudel paljastab ootamatud SI-probleemid, mida põhjustavad paigutuse, maandamise või ekraanikaitse puudused.
• Jälgimine algse paigaldamise ajal: Reaalajas välisinfo on hinnatu väärtusega pidevaks SI-kinnitusks, eriti siis, kui rakendused hõlmavad muutuvaid keskkondi.