Kuinka optimoitu monikerroksinen PCB-suunnittelu parantaa signaalin eheyttä?

1. Johdanto: Optimoidun signaalin eheyden merkitys sekamuotoisessa monikerroksisessa PCB-suunnittelussa

Nykyään nopeasti kehittyvässä elektroniikkamaailmassa kompaktien ja suorituskykyisten laitteiden kysyntä on johtanut analogisten ja digitaalisten piirien integroimiseen yhdelle sekamuotoinen PCB nämä levyt toimittavat virtaa kaikille laitteille älykkäistä teollisuusohjaimista auton viihdejärjestelmiin – ja niiden toiminnan keskiössä on yksi erittäin tärkeä tekijä: signaalin eheys .

Signaalin eheys (SI) viittaa sähköisten signaalien laatuun ja luotettavuuteen, kun ne kulkevat painokiskolevyä pitkin. Kun signaali säilyttää tarkoitetun muotonsa, jännitteen ja ajoituksen matkallaan, järjestelmä toimii odotetusti. Kuitenkin sekä korkean nopeuden digitaaliosuuksissa että herkissä analogosuuksissa kun eri toimialueet coexistoivat samalla mixed-signal asettelulla, signaalin laadulle aiheutuvat uhkat moninkertaistuvat. Korkeataajuuiset siirtymät, kytkentämelu ja häiritsevät vaikutukset voivat heikentää signaaleja – mikä johtaa ristiinkeskustelu , maajännitteen pomppiminen , ja tietojen tarkkuuden menetykseen. Seuraukset? Ennustamaton piirin käyttäytyminen, sähkömagneettinen häiriö ( EMI ), säädöllisiin ongelmiin sekä kivuliin viivästyksiin markkinoille saattamisessa.

Miksi signaalin eheys on niin tärkeää mixed-signal PCB:issä?

Mixed-signal levyt kohtaavat ainutlaatuisia SI-haasteita, koska digitaalipiirit tuottavat nopeita reuna-alueita, jännitevaihteluita ja pullonkauluja virroissa, jotka voivat helposti saastuttaa analogiset polut. Virheellinen piikki referenssissä maataso tai vioittunut kello voi tarkoittaa epätarkkoja analogisia lukemia, epäonnistunutta ADC-integrointia tai vioittuneita datansiirtoja – kaikki erityisen vakavia turvallisuuskriittisissä tai korkearesoluutio-sovelluksissa.

Pikatiedot-taulukko: Miksi SI on tärkeää mixed-signal PCB:issä

Mitä tässä oppaassa käsitellään

Tässä kattavassa oppaassa opit:

• Perusteet sekamuotoinen PCB insinööriala
• Käytännön parhaat käytännöt SI-hallinnassa (avainsanoilla kuten ohjattu impedanssi , differentiaaliparin reititys , ja maadoitustrategiat )
• 12-vaiheinen prosessi suorituskyvyn ja valmistettavuuden maksimointiin
• Laajennettu kattavuus vias-, kerrosrakenteista, vaimennuskondensaattoreista ja muusta
• Vianetsintävinkit ja tapaustapaukset
• Uusimmat työkalut kohteelle SI-simulointi ja PDN-analyysi

2. Mikä on sekatehoinen piirilevyrakenne?

A sekamuotoinen PCB on painotu levy, joka yhdistää sekä analogisia että digitaalisia komponentteja yksittäiseen substraattiin. Tämä yhdistäminen mahdollistaa nykyaikaisten laitteiden kytkemisen fyysisen – analogisen – maailman ja digitaalisen toimialueen välillä, mikä mahdollistaa kaiken anturipitoisista IoT-tuotteista edistyneisiin autoteollisuuden elektronisiin ohjausyksiköihin.

Sekatehoisen, analogisen ja digitaalisen piirilevyalueen määrittely

• Analogiset piirilevyt käsittelevät jatkuvia signaaleja, kuten ääni-, lämpötila- tai jännitetasoja. Nämä signaalit ovat erittäin herkkiä kohinalle, häiriöille ja pienille jännitevaihteluille.
• Digitaaliset PCB:t käsittelevät diskreettejä logiikkasignaaleja (0:ia ja 1:itä). Vaikka ne saattavat vaikuttaa robusteilta, digitaalipiirit – erityisesti nopeat – ovat merkittäviä sähkömagneettisen kohinan, maahypyn ja samanaikaisten kytkentäpoikkeamien (SSO) lähteitä.
• Sekasisäinen PCB-suunnittelu viittaa rakenteisiin, joissa nämä kaksi maailmaa täytyy rinnastua, ja jotka edellyttävät huolellista huomiota signaalin eheys , maadoitukseen ja virtalähteen eheyteen liittyviin kysymyksiin.

Tyypillisiä sovelluksia seka-alueen PCB:lle

Seka-alueen PCB:t ovat monien tehtäväkeskeisten järjestelmien perusta, mukaan lukien:

• Teollinen automaatio: Reaaliaikainen ohjaus korkean tarkkuuden anturirajapintojen kanssa.
• Automobiilijärjestelmät: Infotainment, akkujen hallinta, ADAS ja moottoriohjaukset.
• Kulutuselektroniikka: Älypuhelimet, käytettävät laitteet, äänilaitteet ja kamerat.
• Lääketieteelliset laitteet: Potilasmonitorit, kuvantamisjärjestelmät ja diagnostiikkalaitteet.
• Viestintä: Reitittimet, lähetinvastaanottimet, SDR ja korkean nopeuden verkkolaitteet.

Taulukko: Esimerkkejä mixed-signal PCB:n käyttötarkoituksista

Miksi sekasignaalipiirien suunnittelu on haastavaa?

Päähaasteena on hallita signaalin eheys , koska:

• Digitaalipiirit aiheuttavat nopeita jännitetasojen vaihteluita (korkea dV/dt, korkea di/dt), jotka aiheuttavat kohinaa jaetuilla maadoituksilla ja virtaverkoilla.
• Analogiapiirit ovat herkkiä pienitasoiselle kohinalle, jopa mikrovolttitasoilla, mikä voi aiheuttaa SNR:n määrä (signaali-kohinasuhteen) heikkenemisen ja THD (kokonaisharmonisen vaimennuksen) ADC-piireissä.
• Kellot (kuten ne, jotka syöttävät ADC-integrointia ) ja dataviivat ylittävät useita toimialoja, mikä johtaa ristiinkeskustelu , paluupolun epäjatkuvuudet , ja ajoitusvirheet.
• Huonosti toteutettu maadoitustrategiat ja PCB-kerroksitys voi vahvistaa näitä riskejä, erityisesti tiheissä monikerroslevyissä.

Analogia- ja digitaalipiirien keskeisten komponenttien ymmärtäminen

Onnistunut analogia-digitaalipiiri saavuttaa:

• Erottaminen: Analogiasignaalien pitäminen digitaalisesta kohinasta erillään asettelun, maanerottelun tai suojarengasrakenteiden avulla.
• Luotettava muunnos: Varmistamalla, että ADC:si (esim. 12-bittinen tai 16-bittinen) ja DAC:t toimittavat tarkkaa, alhaisen jitterin dataa käyttämällä siistejä kellojakelu verkot ja optimoitu kytkentä.
• Ohjattu impedanssi: 50 Ω:n yksittäisten tai 100 Ω:n differentiaalilinjojen käyttö korkean tiedonsiirtovauhdin jäljissä mikroliuskan, stripliuskan tai koplanäärisen aaltoputkirakenteen avulla.
• Tehokas virtahuoltoverkko (PDN): Aaltoilun hillitseminen ja vakaiden jännitteiden ylläpito asianmukaisilla kytkentäkondensaattoreilla ja virtatasosuunnittelulla.
• Varjostus ja EMI-hallinta: Pistorivien, kuparitäyteiden tai Faradayn häkkien käyttö tärkeissä herkissä alueissa.

3. Tärkeimmät signaalin eheyden haasteet sekamuotoisissa PCB-piireissä

Robustin suunnittelun sekamuotoinen PCB on herkkä tasapainoilu: se edellyttää analogisen herkkyyden ja digitaalisen logiikan väsymättömän toiminnan huolellista yhdistämistä jaetulle pohjalle. Kun siirtotiheydet kasvavat ja levyn tiheys lisääntyy, vahvan signaalin eheys (SI) varmistaminen ei ole enää vain haastavaa – vaan välttämätöntä. Alla käsittelemme ne signaalin eheyden keskeiset esteet, joita jokaisen sekatekniikan piirilevyn suunnittelijan on osoitettava luotettavien, suorituskykyisten tuotteiden saavuttamiseksi.

1. Ristisuhde ja kohinan kytkyminen

Aina kun analogiset ja digitaaliset johdot kulkevat lähellä toisiaan, erityisesti pitkillä rinnakkaisilla matkoilla, nopeasti muuttuvat digitaaliset signaalit syöttävät kohinaa herkille analogisille linjoille keskinäisen kapasitanssin ja induktanssin kautta – ilmiö tunnetaan nimellä ristiinkeskustelu . Suuritehonoisissa suunnitelmissa tämä voi aiheuttaa merkittäviä virheitä analogisissa mittauksissa tai vääristää dataa. Huono differentiaaliparin reititys ja sovittamattomat impedanssit pahentavat tätä ongelmaa.

2. Maapomppu ja maasilmukat

Maajännitteen pomppiminen syntyy, kun nopeasti kytkettävät digitaaliset lähdöt vaihtavat yhtä aikaa, mikä aiheuttaa äkillisiä jännitemuutoksia maassa. Nämä muutokset (samanaikaiset kytkentälähdöt eli SSO) ovat erityisen ongelmallisia silloin, kun analoginen ja digitaalinen osa jakavat kaiken tai osan maatasosta. Tämä johtaa paitsi digitaalisiin ajoitusvirheisiin, myös häiritsee analogista-digitaalimuuntimien, operaatiovahvistimien ja herkkien anturien referenssijännitteitä.

Maasilmukat syntyvät, kun on olemassa useita maa-palautuspolkuja, jotka muodostavat epätoivottuja "antenneja", jotka voivat aiheuttaa huminaa, värähtelyjä tai ottaa vastaan ympäristön EMI-häiriöitä. Tämän vuoksi maadoitustrategiat —kuten huolellinen asettelu ja yksipistemaa-yhteys—ovat kriittisiä sekateholautoille.

3. Virtajakoverkon (PDN) häly

Jännitteen vaihtelut virtajohtimissa, joita aiheuttavat nopeasti kytkettävät kuormat (digitaaliset IC:t, kelloajot), voivat generoida aaltoilua ja hälypurskeita, jotka kytkytyvät suoraan analogisiin virtalinjoihin tai analogisiin referenssisyöttöihin. Jos irrotaavat kondensaattorit ovat riittämättömät, väärässä paikassa tai niillä on huonot ESR-ominaisuudet, virtalaatu kärsii. Epävakaa PDN vaarantaa ei ainoastaan SI:tä, vaan myös ADC-resoluution (aiheuttaen jitteriä, SNR-kadon ja jopa toiminnallisia virheitä).

4. Impedanssijatkuvuushäiriöt ja paluupolun häiriöt

Korkeataajuudet digitaalisignaalit käyttäytyvät kuten ohjatut impedanssilinjat (tyypillisesti mikrokaista tai stripline), ja kaikki jatkuvuushäiriö — kuten huonosti suunniteltu reikä, liitin tai jaettu virta/maadoituslevy — aiheuttaa signaalin heijastumia, seisovia aaltoja ja impedanssiviritystä . Vastaavasti analogisten ja digitaalisten signaalien paluupolut täytyy olla lyhyitä, suoria ja vapaana jakojen tai haarojen aiheuttamista häiriöistä, muuten esiintyy heijastumia ja signaalin menetys - Se on totta.

Taulukko: Yleiset häiriötyypit ja niiden vaikutukset

5. EMI/EMC-haasteet

Elektromagnetinen häiriö (EMI) ja sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) ovat laajakaisuisia haasteita, erityisesti sekasignaalijärjestelyissä. Nopeareunaiset digitaalipiirit toimivat EMI:n "lähetinä", kun taas analogiset anturit, RF-syötteet ja ADC:t ovat alttiita "uhreja". suojaaminen huonosti suunnitellut tasoja, huono tason asettelu ja viapintojen puute voivat muuttaa levyn lähetysantenniksi, mikä uhkaa sääntelyvaatimusten epäonnistumista.

6. Signaalin ajoitus- ja kellonjakojärjestelmän ongelmat

Epävakaa kellojakelu tai liiallinen kellovärähtely voi aiheuttaa ajoitusvirheitä (skew) eri alueiden välillä, mikä johtaa ennustamattomaan viiveeseen, metastabiliteettiin ja datan strobovirheisiin – erityisesti kelloalueen ylityksen aikana aD-muuntimet ja DA-muuntimet ovat erityisen alttiita kellohälylle ja kellovärähtelylle, jotka heikentävät tehollista kaistaleveyttä ja tarkkuutta.

7. Riittämätön simulointi ja asettamisen jälkeinen analyysi

Modernin PCB:n monimutkaisuus tekee siitä vaarallista 'arvuutella', ilman erityistä SI-simulointi ja virtaintegriteetti (PI) analyysiä. Simulointityökalut (kuten HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) mahdollistavat suunnittelijalle ennakoitaa ja korjata hienoja ongelmia—kuten pituuserojen epäsuhtaa, paluupolkujen epäjatkuvuuksia, parasiittista kapasitanssia ja lämpökeskittymiä—jo ennen tuotannon alkua.

4. Parhaat käytännöt ja keskeiset huomioon otettavat seikat

Suunnittelemaan sekamuotoinen PCB erittäin hyvällä signaalin eheys edellyttää hienovaraista, kokonaisvaltaista lähestymistapaa. Jokainen päätös—kerrosten järjestyksestä virtajakeluun—voi vaikuttaa levyn lopulliseen suorituskykyyn oikeassa käytössä. Tässä osiossa tutustut välttämättömiin, toteutettaviin parhaisiin käytäntöihin, jotka käsittelevät sekä suunnittelun perusteita että edistyneitä menetelmiä analogi-/digitaali-integraatiolle.

1. Suunnittele lohkojen erottelu varhain

Selkeä toiminnallinen erottelu on elintärkeää. Määritä omat alueet eri toiminnoille analogosuuksissa ja digitaaliosuuksissa piirit kytkentäkaavion ja asettelun suunnitteluvaiheessa. Fyysinen etäisyys vähentää merkittävästi kohinan kytkentää, maahyppelyä ja ristikytkentää eri alueiden välillä. Käytännön sääntö: älä koskaan johdota digitaalisia kelloja tai nopeita dataviestejä herkkien analogiakomponenttien alle tai niiden lähelle.

Avaintoimenpiteet:

• Sijoita ADC, anturit ja analogiset vahvistimet mahdollisimman kauas oskillaattoreista, FPGA-piireistä, kytkentämuuntajista ja korkeataajuusristallilähteistä.
• Suuntaa suuret digitaaliset tietoväylät kohtisuoraan kriittisten analogisten signaalien reitteihin nähden rajoittaaksesi kapasitiivista kytkentää.

2. Optimoi PCB:n kerrosrakenne

PCB-kerroksitys vaikuttaa kaikkeen sähkömagneettisen häiriönsuojauksen immuuniteetistä impedanssin hallintaan. Käytä kerroksellista rakennetta, jossa nopeat signaaliyhdistöt sijaitsevat kiinteiden, katkeamattomien maatasojen (ja tarvittaessa virtatasojen) väliin jäävissä kerroksissa. Tämä ei ainoastaan luo määrätyllä impedanssilla toimivia siirtolinjoja, vaan mahdollistaa myös lyhyet ja suorat paluureitit nopeille transienttivirroille.

3. Mestarimaadoitusstrategiat

Maadoitus on sekamuotoisen signaalin eheyden kulmakivi. Yleisesti ottaen on olemassa kaksi ajattelutapaa:

• Yksittäinen maadoituspiste (tähtimaadoitus): Erillinen liitos yhdistää analogiset ja digitaaliset paluupolut hallitusti – erityisen tehokas matala- ja keskitaajuuksisten rakenteiden kohdalla.
• Jatkuva maataso: Korkeamman nopeuden/taajuuden suunnittelulle kiinteä, yhtenäinen kuparitaso huolellisella segmentoinnilla (tarvittaessa) tarjoaa lyhimmät paluureitit ja alhaisimman EMI-tuotannon.

Parhaat maadoitustekniikat sekateholauttoihin:

• Vältä maasilmukoita varmistamalla yksittäinen paluupolku jokaiselle piiritoiminnolle.
• Älä pilko maatasoja mielivaltaisesti. Pilko vain silloin, kun se on ehdottoman välttämätöntä, ja liitä aina yhteen ainoaan, alhaisen impedanssin pisteeseen ADC:n tai päämuuntajan alla.
• Käytä suojarengashuokkia tai kuparitäyttöjä korkeaimpedanssisten analogiaviivojen ja kriittisten analogipiirien ympärillä parantaaksesi niiden suojauksen tehokkuutta.

4. Hallitse impedanssia ja käytä differentiaaliparireittejä

Korkean nopeuden digitaaliset johdot on reititettävä ohjattu impedanssi linjana, sovitettuina rajapinnan vaatimuksiin (50 Ω yksittäinen, 100 Ω differentiaalinen tyypillinen). Tämä minimoi signaalin heijastukset ja seisovat aallot. Differentiaalisille signaaleille (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) johdon väli ja pituussovitus ovat olennaisia.

5. Varmista tehokas tehonjakoverkko ja kytkentä

- Sinun tehonjakoverkko (PDN) vaatii vakavaa suunnittelua.

• Käytä erillisiä säätimiä tai suodatettuja toimialoja analogisille ja digitaalisille virtapiireille. Matalan kohinan LDO-säätimiä (lineaariset säätimet) analogisiin, kytkentäsäätimiä (SMPS) digitaalisille kuormille, tarvittaessa suodatettuina.
• Sijoita kytkentäkondensaattorit strategisesti (mukaan lukien useita arvoja korkean/alhaisen taajuuden suodatusta varten) mahdollisimman lähelle IC:n syöttönappeja. Valitse kondensaattorit, joilla on alhainen ESR, ja käytä keramiikkamultilayer-kondensaattorien (MLCC) seosta (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF jne.).
• Käytä ferriittihelmiä tai pienet eristyskäämit analogisten ja digitaalisten tasojen/raitojen välillä.

Esimerkki kytkentätaulukko

6. Priorisoi EMI/EMC-hallinta

Käytä monitasoista lähestymistapaa:

• Käytä suojakotelointeja ja metallikuoria korkean riskin analogi- ja RF-osuuksille.
• Viapiirustus (säännöllisesti sijoitetut maareiät) analogisten osioiden ympärillä ja levyreunoilla lukitsevat paluuvirrat, vähentäen EMI:n "vuotamista".
• Huolellinen kellonsignaalin reititys kellolinjat tulisi pitää lyhyinä, kulkea erillään analogialohkoista ja suojata vierekkäisten maajohtojen tai maa-tasojen avulla. Vältä kellolinjojen asettamista lohkoitettujen tai katkaistujen mauevien yli säteilyn ehkäisemiseksi.

7. Vahvista simulointityökaluilla ja DFM-tarkastuksilla

Älä arvaile — simuloi! Käytä SI-simulointi ja PDN-analysointi työkaluja (kuten HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity tai Altiumin/OrCAD:n sisäänrakennettuja työkaluja) arvioidaksesi:

• Signaalin silmädiagrammit
• Kytkentähäiriöennusteet
• Paluupolun eheys
• Virta- ja maajännitteen aaltoilu
• Lämpökuormat/lämpöhallinta

5. 12 askelta optimoituun ja tehokkaaseen sekasignaalipiirisuunnitteluun

Herrastaa signaalin eheys käytännöllinen, vaiheittainen prosessi on keskeisessä osassa suunniteltaessa sekasignaalipiirejä joilla toimii luotettavasti oikeiden maailman rajoitteiden alaisena. Alla käymme läpi 12 todistetua askelta – kukin heijastaa alan parhaita käytäntöjä, yleisiä ansaita ja käytännön sovellettavaa tekniikan viisautta.

Vaihe 1: Erottele analogiset ja digitaaliset osiot varhain

1.1 Tunnista analogiset ja digitaaliset toimialueet

• Tarkista piirikaavio luokitellaksesi komponentit puhtaasti analogisiksi, digitaalisiksi tai sekasignaalikomponenteiksi (kuten ADC:t, DAC:t, CODEC:t).
• Huomioi kunkin piirin toiminto: matalan kohinan analogi, digitaalilogiikka, korkeataajuinen kellotus jne.

1.2 Strateginen sijoittaminen

• Fysisesti erota analogiset ja digitaaliset alueet pCB-laidan asettelussa.
• Johda analogiset signaalit erilleen digitaalisista buuseista, äläkä johda digitaalisia jälkiä analogisten IC:ien alle.
• Käytä silkkipainetta tai kuparimerkintöjä rajojen osoittamiseen, mikä helpottaa asennusta ja vianetsintää.

Vaihe 2: Valitse komponentit, joilla on sopivat rajapinnat

Erilaisten alijärjestelmien integroinnissa oikean rajaprotokollan valitseminen parantaa sekä suorituskyky ja signaalin eheys .

Yleiset rajapinnat ja niiden parhaat käyttötapaukset

Vaihe 3: Paranna ADC-toiminnallisuutta tarkan mittaamisen saavuttamiseksi

3.1 Valitse oikea ADC tehtävään

• Harkita tärkeät ADC-määritelmät resoluutio (12, 16, 24 bittiä), SNR, THD, maksiminäytteenottotaajuus, syöttöimpedanssi, referenssijännitteen stabiilisuus.
• Valitse sovellukseen sopiva arkkitehtuuri: SAR-, Sigma-Delta- tai putkimo ADC.

3.2 Tarjoa stabiilit kellot ja eristä kohinalähteet

• Käytä alhaisen virheen omaavia oskillaattoreita. Kellon virhe heikentää tehollista bittimäärää (ENOB) nopeissa ADC-piireissä.
• Eristä fyysisesti kellolinjat kohinaisista digitaalisista väylistä.
• Kytkentäpoista ADC:n virtalähde alhaisen ESR:n kondensaattoreilla.

3.3 Pidä referenssijännitteet puhtaana

• Sijoita referenssikondensaattorit (10–100 µF, plus 0,1 µF keraamiset) lähelle ADC:n Vref-nastaa.
• Suojarengas referenssijohtojen ympärillä vähentää entisestään kohinan kytkemistä.

Vaihe 4: Suunnittele tehokas PCB-kerrosrakenne

Huolellisesti suunniteltu PCB-kerroksitys muodostaa sekamuotoisen signaalin onnistumisen perustan.

• Sijoita korkean nopeuden signaalitasot vierekkäin kiinteiden referenssitasojen kanssa.
• Vältä maadoitus- tai virtatasojen jakamista reititettyjen signaalien alla.
• Pitäkää kerroksrakenne symmetrisenä kaarevuuden vähentämiseksi ja ristihäiriöiden hallinnan tukemiseksi.

Vaihe 5: Toteuta tehokkaat maadoitusstrategiat

• Yksittäispisteyhteys analogisten ja digitaalisten maadoitusten välillä (tyypillisesti ADC:ssä).
• Käytä kiinteitä, leveitä kuparitäyteitä/kaaria maadoituspoluille – minimoija vastusta ja induktanssia.
• Käyttää suojajohdot ja kuparitäytteet herkkien analogisten signaalien ympärillä.

Vaihe 6: Optimoi virtajako ja jännitteeneston

6.1 Käytä erillisiä virtalähteitä

• Erota analogiset ja digitaaliset jänniteraidat. Käytä LDO:ita analogiassa, kytkentää/ferriittisuodatusta digitaalisessa.
• Syötä ADC:t ja muut tarkkuuskomponentit mahdollisimman siististä raidasta.

6.2 Kytkentäkondensaattorit melusuodatusta varten

• Aseta jokaisen IC:n viereen korkeataajuisten (0,01–0,1 µF) ja suurten (1–10 µF) keramiikkakondensaattorien yhdistelmä.
• Minimoi silmukoiden pinta-ala pitämällä johdot kondensaattorilta piirisirulle mahdollisimman lyhyinä.

Vaihe 7: Reititä analogiset ja digitaaliset johdot tehokkaasti

• Älä koskaan risteytä analogisia ja digitaalisia johtoja —ylläpidä kerroksittaista, erillistä reititystä.
• Älä vedä korkeataajuisten signaalien johdotuksia virtapiirin paluuvirran jakautumiskohtien tai maan katkokoiden yli.
• Sovita johdinpituudet korkeataajuisille / differentiaalipareille; käytä impedanssilaskureita tarkkojen leveyksien määrittämiseen.

Vaihe 8: Toteuta lämmönhallintastrategioita

• Tunnista lämpöä tuottavat komponentit (säätimet, suurivirtaiset ajot, prosessorit).
• Käyttö lämpöviivat ja erillisiä kuparivalutuksia (lämpöpadoja) viemään lämpö sisemmille tai vastakkaisille kerroksille.
• Harkitse pakotettua ilmankiertoa, jäähdytyslevyjä tai jopa upotettua kuparia, jos tehontiheys on korkea.

Vaihe 9: Synkronoi kellonjakelu ja paranna sekasignaaliratkaisuja

• Tuuleta kellot alhaisilla epäjärjestyspuskurien avulla.
• Reititä kellot käyttämällä lyhyitä, suoria jälkiä, joita suojaa maatasot.
• Vältä kellojälkiä jaetuilla maadoituksilla — ylläpitää jatkuvia referenssitasoja.

Vaihe 10: Toteuta suojaukset melun hallintaan

• Käyttö Faradayn häkin , metalliset suojakannet tai kiinteät kuparilaatikot erityisen herkille analogisille/RF-osioille.
• Kiinnitä maavialla tiheästi suojattujen alueiden ympärille ja levyn reunoilla.

Vaihe 11: Simuloi sekatekniikan monikerroksinen PCB-suunnittelu

• Käytä SI/PI-simulointityökaluja (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) analysoidaksesi:
  • Impedanssin jatkuvuus
  • Silmädiagrammit ja jitter
  • Virran höyry
  • Paluupolku ja ristihäiriöalttiudet

Vaihe 12: Valmistele ja lataa tuotantotiedostot

• Tarkista ja viimeistele kerrospiirustukset, keskeiset materiaalimäärittelyt (esim. kuparipaksuus , dielektrisyysvakiot, reiäntyypit).
• Varmistavat impedanssinsäätö ja testipisteiden merkinnät ovat selkeitä Gerber-tiedostoissa.
• Lisää huomioita peittämisestä, reikäommeloinnista ja lämpöreistä.
• Sisällytä kattava verkkoluettelo ja toiminnallinen testauspääsy molemmille alueille.

6. Reikien ymmärtäminen ja niiden vaikutus signaalin eheyteen

Viat —pienet pystysuorat yhteydet, jotka yhdistävät kerroksia piirilevyssä sekamuotoinen PCB —jätetään usein huomioimatta huonon signaalin eheys syynä. Kuitenkin, kun kellotaajuudet ylittävät satoja megahertsejä tai jopa gigahertsejä, viapilarien rakenne vaikuttaa yhä dramaattisemmin kaikenlaisten ilmiöiden, kuten siirtolinjan impedanssin, kytkesyn ja maan pomppumisen, kannalta. Luotettavaa korkeataajuista tai analogista suorituskykyä varten viaominaisuuksien ymmärtäminen ja optimointi on välttämätöntä.

Viatyypit ja niiden rooli sekoitetun signaalitekniikan piireissä

Viat ovat olemassa eri muodoissa, joilla kussakin on tietty vaikutus signaalin laatuun:

Läpivien induktanssin ja kapasitanssin vaikutus

Tyypillisesti korkean nopeuden PCB , induktanssin kautta ja kapasiteetti ovat yhdessä tunnistettu nimellä parasiittiset elementit —epätoivottuja sivuvaikutuksia, jotka vääristävät nopeita reuna-aaltoja. Nämä ilmiöt ovat erityisen ongelmallisia ohjattu impedanssi (esim. 50 Ω yksittäinen, 100 Ω differentiaali) ympäristöissä.

Keskeiset vaikutukset:

• Parasiittinen induktanssi syyt:
  • Hitaammat reunat, korkeataajuinen vaimennus
  • Heijastukset, signaalin ylitys ja värinä
• Parasiittinen kapasitanssi syyt:
  • Paikalliset impedanssialennukset, vääristymät nopeissa reunoissa
  • Lisääntynyt kytkentä viapisteiden välillä tai vierekkäisten tasojen kanssa

Esimerkki: 10 Gbps dataviiva

Viapiste, jossa on 1 mm:n tyvitys (yhdistämätön osa PCB:ssä), voi aiheuttaa resonanssin useita GHz taajuuksilla, mikä vääristää vakavasti 10 Gbps sarjaliikenteen signaalia. Tyvityksen poistaminen tai lyhentäminen (viapisteiden takaperäporaus tai soveltamalla sokeita mikroviapisteitä) palauttaa signaalin amplitudin, silmäaukon leveyden ja aikajitterin spesifikaatioiden sisään.

Viapisteiden optimointi ja signaalin eheyden strategiat

Viapisteiden käytön optimointi on yksi suurimpia vaikutustekijöitä korkean nopeuden ja sekatehon piirilevyissä. Tässä keskeisiä parhaita käytäntöjä:

• Minimoi viapisteiden määrä kaikkia kriittisiä korkean nopeuden tai herkkiä analogisia johdinpursia pitkin
• Käytä mikroviapisteitä tai lyhyitä sokea-viavoja pitkien läpiviivojen sijaan GHz+:n reiteissä.
• Vältä viaviivojen pääteosia :

• • Käytä mahdollisuuksien mukaan takaperäporauksia poistaaksesi ylimääräisen viavarteen aktiivisen kerroksen alapuolelta.
  • Tai rajoita via-siirtymiä „kerros-kerrokseen“, ilman orpoja häntiä.

• Optimoi via-sijoittelu :

• • Säilytä symmetria differentiaalipareissa.
  • Sijoita korkeataajuuiset viat lähelle referenssimaadoitusviaa (via-stitching) minimaalisen silmukka-alueen ja paluupolkujen tukemiseksi.

• Läheisyys maatasoihin : Digitaalisille ja sekasignaaleille sijoita aina maadoitusvia lähelle jokaista signaaliviaa, jotta säteilevän EMI:n riski vähenee.

Taulukko: Via-optimointiohjeet

Suhteen huomioon ottaminen valmistettavuuden ja SI:n kannalta

Kuvasuhde (reikäsyvyyden ja halkaisijan suhde) vaikuttaa sekä valmistettavuuteen että signaalin laatuun. Korkea suhde tekee pinnoituksesta epäluotettavaa (tyhjien kohtien tai avoimien putkien riski) ja nostaa reiän impedanssia, erityisesti HDI-suunnittelussa.

• Suositeltu suhde: ≤10:1 tavallisiin läpivia-reikiin; paljon pienempi mikroviareikien tapauksessa
• Käyttötapaus: 1,6 mm paksulle PCB:lle vähintään 0,16 mm (6,3 mil) via-reiän poraus mahdollistaa turvallisen pinnoituksen

SI-esimerkki: Mikrovia verrattuna läpivia-reikään korkeataajuusseriaaliliikenteessä

Telealan suunnittelija, joka integroi 12-kerroksisen sekasignaalipohjan, korvasi vanhat läpivia-reiät 6,25 Gbps SerDes-parissa takaperin poratuilla sokeilla mikroviareikoilla. Silmädiagrammin jitteri väheni 31 %, ristisynkkaus (5 GHz:ssä) puolittui, ja suunnitelma menestyi ensimmäisessä EMI-testissä – mikä osoittaa nykyaikaisten via-ratkaisujen suoran edun signaalin eheydelle.

Parhaan käytännön yhteenveto

• Valitse viatyyppi ja -rakenne perustuen signaalin eheys vaatimuksiin, valmistettavuuteen ja piirilevyn kerrospakettiin.
• Simuloi (käyttäen Ansys SIwavea, HyperLynxiä tai Altiumin SI-työkaluja) kaikki mahdolliset via-kytkennät, resonanssi- tai heijastusriskit – erityisesti linjoilla, joiden nopeus on yli 500 Mbps tai kriittisillä analogisignaaleilla.
• Tasapainota aina signaalinkosketuksen (SI) tarpeet DFM-palautteen kanssa piirilevyvalmistajaltasi luotettavien rakenteiden saavuttamiseksi.

7. Maatasojen strategiat korkean nopeuden ja sekasignaalin PCB-piireissä

Oikein suunniteltu maataso on hiljainen vartija signaalin eheydelle jokaisessa suorituskykyisessä sekamuotoinen PCB . Kun digitaaliset nopeudet kasvavat ja analoginen tarkkuus lisääntyy, maadoitussysteemi muuttuu kriittiseksi paluupolkuksi jokaiselle signaalille, EMI-suojaksi ja kaikille analogisille ja digitaalisille mittauksille ”nollajännite”-viitteeksi. Kuitenkin pienet virheet maatasojen asettelussa voivat hiljaa tuhota jopa kehittyneimmät suunnittelut.

Maatasojen rooli sekasignaalin PCB-piireissä

Molemmissa analogosuuksissa ja digitaaliosuuksissa alijärjestelmissä maataso palvelee kolmessa oleellisessa tehtävässä:

• Signaalin paluupolku: Takaan alhaisen impedanssin ja suorat reitit lähteen ja kuorman välillä sekä korkean nopeuden digitaalisille että herkille analogisignaaleille.
• EMI-eston varmistus: Tarjoaa jatkuvan suojakuoren, joka imee ja sisältää säteilevät häiriöt, rajoittaen sekä sisäistä kytkentähäiriötä että ulkoisen häiriön vastaanottoa.
• Viitemuuttujan vakaus: Ylläpitää johdonmukaista jänniteviitettä, mikä on ratkaisevan tärkeää ADC-integroinnin ja tarkkojen analogimittausten kannalta.

Parhaat käytännöt maatason toteuttamiseksi

1. Käytä kiinteää, katkeamatonta maatasoa

• Varaa koko kerros (tai kerrokset) keskeyttämättömälle maadoitukselle.
• Vältä leikkaamista, urittamista tai segmentointia tämän tason alla kulkevien signaalijohdinten kohdalla.
  • Faktana: Minkä tahansa aukon tai katkon muodostuminen maatasossa korkeataajuisten johdinten alla pakottaa paluuvirrat kiertämään, mikä lisää huomattavasti silmukan kokoa, säteilyhäiriöitä ja herkkyyttä kohinalle.
• Sijoita korkean nopeuden ja tarkkuuden analogiset piirit suoraan niiden referenssimaatason yläpuolelle, lyhentäen näin paluusilmukoita ja minimoimalla parasiittinen induktanssi.

2. Eristä analogiset ja digitaaliset maat – tiukasti

• Monille sekatekniikan piireille on järkevää loogisesti (ei välttämättä fyysisesti) erottaa analogiset ja digitaaliset maat, yhdistäen ne yhteen tähdistöpisteeseen —usein suoraan AD- tai DA-muuntimen kohdalla. Tämä estää kohinaisten digitaalisten maapaluuvirtojen saastuttamasta analogisia referenssejä.
• Käytä fyysisiä jakojakoja vain tarvittaessa ; älä koskaan jaa ilman syytä, ja tarjoa matala-impedanssin ”silta” keskeisissä muunnos/liitäntäkohdissa.
• Vältä pitkiä rinnakkaisia analogisten ja digitaalisten maajohdinten reittejä, jotka voivat toimia antennina.

3. Kiinnitä maatasot viapisteillä

• Käyttö viapiirustus varmennettujen alueiden ympärillä, levyn reunoilla ja korkeataajuisten signaalivianien vieressä. Tiheässä (≤2 mm) sijoitetut maaviat tarjoavat tehokkaan eston EMI:lle ja tiukentavat signaalin paluusilmukkaa.
• Differentiaalipareille tai korkeataajuuspareille, jotka ylittävät tasot, varmista että maaviat sijaitsevat signaalivianien vieressä oikeaa paluuvirtaohjausta varten.

4. Käytä monikerroksisia maatasoja kriittisiin sovelluksiin

• Monikerroksisissa piireissä (esim. 4, 6 tai enemmän kerrosta) tulisi aina olla useampi kuin yksi maataso matalaimpedanssista paluupolusta ja lisäsuojauksesta. Harkitse ”maasandwich“-rakennetta, jossa kaksi maatasoa reunustaa signaalitasoa.
• Esimerkki kerrosrakenne:  
  • Kerros 2: Kiinteä maa digitaalille
  • Kerros 4: Analoginen maadoitus (yhteydessä ADC:n tähtipisteeseen)
  • Kerros 6: Rungon tai suojamaadoitus (kotelointiin tai RF-sovelluksiin)

Käytännön ohjeet maatasojen suunnitteluun—Taulukko

8. Virran eheys: Puhtaan virtajakoverkon varmistaminen

Suunnittelu vahvaksi virtatason eheys (PI) ei ole pelkästään kyse jännitteen toimittamisesta laitteisiisi—se tarkoittaa, että jokainen herkkä analoginen etupää, jokainen nopea digitaalinen signaali ja jokainen tarkan tarkkuuden muuntaja saa aina kohinaisen vapaan, stabiilin virransyötön kaikissa oikeilla maailman kuormitustiloissa. Sekasiirtopiirien (mixed-signal) PCB-suunnittelussa tehonjako strategiat ovat yhtä tärkeitä kuin signaalin eheys maadoitus ja impedanssinsäätö.

Miksi virran eheys on tärkeää sekasiirtopiirien PCB:ssä

Meluinen tai heikko virtajakoverkko (PDN) voi heikentää jopa parhaimman analogisen tai digitaalisen asettelun.

• Virtalähteen rippeli voi kytkeytyä suoraan ADC-integrointia vähentäen tehollista resoluutiota ja SNR:ää sekä aiheuttaen jitteriä kellotetuissa rajapinnoissa.
• Tehovahingot ("maajänniteputoamiset") nopeasta digitaalisesta kytkennästä voivat aiheuttaa maajännitteen pomppiminen tai ristisovituksen, jonka analogipiirit voivat vahvistaa tai demoduloida.
• Ei riittävästi pastaa irrotaavat kondensaattorit tai huonosti sijoitetut loisto-kondensaattorit voivat antaa jänniteraitojen värähdellä tai sointua, mikä saattaa vääristää logiikkatilat ja anturien lukemat.

Strategioita puhtaalle virrankuljetukseen

1. Erota analogiset ja digitaaliset virtapiirit

• Käytä erillisiä analogisia ja digitaalisia raitoja aina kun mahdollista. Syötä analoginen piiri matalan kohinan lineaariregulaattoreista (LDO), kun taas tehokkaat kytkentävirtalähteet (SMPS) voivat palvella digitaalisia piirejä.
• Kriittisiä antureita tai korkearesoluutioisia ADC-piirejä varten lisää ylimääräinen analoginen suodatin (LC tai ferriittihelmi + kondensaattori).
• Erota analogiset ja digitaaliset virtatason tasot fyysisesti toisistaan eristääksesi herkät osiot tehokkaammin.

2. Käytä PDN-analyysiä ja impedanssitavoitteita

• Määritä ja simuloi PDN käyttäen PDN-analysointi työkaluja (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys, jne.) varmistaaksesi, että kaikki piirit saavat vakion jännitteen maksimikuormituksen aikana.
• Määritä impedanssitavoite (Z_target) jokaiselle jänniteradalle. Modernille logiikalle (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V radat) tämä voi olla yhtä alhainen kuin 10–20 mΩ suurilla virroilla.

3. Kerrostettu kytkeytymiskytkentäkondensaattorien sijoitus

• Sijoita MLCC-kondensaattorien (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) yhdistelmä mahdollisimman lähelle jokaista virtapinia—mieluiten suoraan pinin alla tai vierekkäin lyhyimmän mahdollisen reitin kautta.
• Käytä suurempia massakondensaattoreita (10 μF, 22 μF, tantaali- tai keramiikkakondensaattoreita) jakautuneina ICI-ryhmien läheisyydessä tai virtalähteen tulopisteissä.
• Nopeille digitaalisiin IC-piireille (FPGA, MCU, DDR) käytä lisäksi paikallista kytkeytymiskytkentää samanaikaisen kytkentämelun (SSO) vähentämiseksi.

Esimerkki: Kytkeytymiskytkentäkondensaattorien taulukko sekasignaalipiirilevylle

4. Minimoi virtatason impedanssi ja resonanssi

• Suurenna virtajohtimen paksuutta (≥1 unssia/ft²) ja aluetta kriittisille analogisille virtajännitteille matalan resistanssin saavuttamiseksi.
• Pitäkää tasojen muodot yksinkertaisina ja katkeamattomina. Välttäkää kapeita kurouksia tai haaroja, jotka lisäävät paikallista impedanssia.
• Johota lyhyet, leveät jäljet lähteestä (säädin) kuormaan, ilman kulkua kovien melualueiden yli.
• Vältä korkean nopeuden signaalijohdinten päällekkäisyyttä meluisien tai jaettujen virtatasojen kanssa aina kun mahdollista.

5. Ferriittihelmat, LC-suotimet ja eristys

• Lisää ferriittihelmat analogisten jänniterekisterien tuloon estämään digitaalinen kytkentämelo (esim. MCU-ytimen melu, kellopiirit).
• Käytä LC-Pi-verkko-suodattimia erittäin matalan meluisuuden ADC-jännitereille tai anturien herätteille.

Tapausstudy: ADC-melun korjaaminen sekamateriaalin piirilevyllä

Teollisuuden IoT-anturimoduuli näytti satunnaisia piikkejä analogisissa lukemissa, kun langaton lähetin käynnisti korkean nopeuden tiedonsiirron. PDN-analyysi paljasti, että korkeat kytkentävirrat kytkeytyivät jakautuneen 3,3 V:n raidan kautta, vaikuttaen ADC-viitejännitteeseen. Ferriittihelman, lisäpaikallisen hajottamisen ja analogisen VREF:n erottamisen jälkeen digitaalisesta VCC:stä ADC:n SNR parani 22 dB:llä, ja melupiikit hävisivät täysin.

9. Valmistettavuuden suunnittelu ja yhteistyö valmistajien kanssa

Ei väliä kuinka kehittynyt suunnittelusi on sekamuotoinen PCB tai kuinka perusteellinen olet signaalin eheys simulaatioiden lisäksi hallintoneuvostosi menestys perustuu lopulta siihen, kuinka hyvin sen valmistus, testaus ja kokoaminen onnistuvat valitun valmistajan toimesta. Design for Manufacturability (DFM) —ja PCB-valmistajien kanssa yhteistyön taito—varmistaa, että kaikki SI-tavoitteesi muuttuvat saumattomasti todelliseksi, luotettavaksi laitteistoksi.

Miksi DFM on keskeistä mixed-signal-PCB:lle ja SI-menestykselle

Modernit mixed-signal-PCB:t käyttävät usein tiheäpihdin komponentteja, HDI-kerroksia, tarkkaa impedanssia, tiheitä viapisteitä ja vaativia virta/maadoitusjärjestelyjä. Jos suunnittelusi ei tuota korkealaatuisia tuotteita suurella tuotannolla – tai vaatii jatkuvasti uudelleen tehtäviä ominaisuuksia valmistamattomuuden vuoksi – kaikki signaalinkäsittelypanoksesi menevät hukkaan.

Tärkeitä DFM:n näkökohtia mixed-signal- ja korkean nopeuden suunnittelussa

1. Kerroksrakenne ja materiaalien saatavuus

• Varmista tarkoitetun PCB-kerroksrakenteen saatavuus toimittajaltasi ennen asettelun lukitsemista – kysy saavutettavissa olevista kerrosmäärästä, vähimmäisdielektrisestä paksuudesta ja kuparipainoista.
• Käytä valmistajan varastossa olevia materiaaleja (FR-4, Rogers, alhaisen häviön laminaatit), jotka täyttävät SI-tavoitteesi määritellylle impedanssille, alhaiselle kytkennälle ja korkealle eristyneisyydelle.
• Varmista kerroksen symmetrisyys (jotta vääntymistä minimitään), erityisesti nopeakäynnöisille ja HDI-korteille.

2. Reikätyypit, suhteet ja porausrajoitukset

• Jaa projektisi reikävaatimukset (läpivientireiät, mikroreiät, sokea/haudattu) ja varmista, että suunnittelusi sopii valmistusmahdollisuuksiin.
• Pysy läpivientireikien suhteissa ≤10:1 tai käytä vaiheittaisia/pinottuja mikroreikiä HDI:lle.
• Vähennä "erikoiskäsittelyä" (esim. takaperäistä porausta) ellei se ole ehdottoman välttämätöntä SI:n kannalta—koska se lisää kustannuksia ja saattaa heikentää tuotantokelvollisuutta.

3. Impedanssin hallinta – simuloinnista todellisuuteen

• Ilmoita tavoiteimpedanssit kaikille siirtolinjoille (50 Ω, 100 Ω diff jne.) ja viittaa kerrosrakenteen geometriaan valmistusohjeissasi.
• Pyydä testikupongeja tai prosessin aikaisia impedanssitarkistuksia varmistaaksesi, että kriittiset verkkosovitteet täyttävät tekniset vaatimukset.
• Vahvista valmistajan kyvyt tarkkuussyövytykseen, pinnoitukseen ja eristeiden ohjaukseen.

4. Kuparipaksuus, rengasreuna ja johdinleveys/väli

• Aseta johdinleveys/väli ja kuparipaksuus IPC-ohjeiden ja valmistajan rajoitteiden mukaan.
  • Herkille analogisille ja virtajohdoille harkitse ≥1 unssin/ft² kuparin käyttöä robustia PI:ta ja alhaisia jännitehäviöitä varten.
• Varmista riittävät rengasreunat viapisteiden ympärillä (pinnoituksen luotettavuutta varten) valmistajan vähimmäisvaatimusten mukaisesti.
• Vahvista pienimmät liuskapeitteen vapaa-alueet – erityisesti tiheissä sekamuotoisissa ja BGA-alueissa.

5. Testaus- ja mittauspääsy

• Sisällytä testipisteet sekä analogi- että digitaalisolmuihin; tee yhteistyötä asentajan kanssa varmistaaksesi, että kiinnitykset pääsevät kaikkiin kriittisiin verkkoihin ilman esteitä korkeilta komponenteilta, liittimiltä tai suojakuorilta.
• Suunnittelu piirisarjan ja toiminnallisen testauksen varalta – nämä ominaisuudet havaitsevat usein SI- tai kokoamisvirheitä.

Tehokas yhteistyö PCB-valmistajien kanssa

• Jaa ajoissa ja usein: Toimita kerrosmääritykset, impedanssitavoitteet, tärkeimmät asettelut ja tiheyskartat valmistajallesi mahdollisimman pian.
• Pyydä DFM-tarkastusta: Kutsu palaute käsittelemään mahdollisia 'hälytysmerkkejä' (esim. valmistumattomia viaratyyppejä, rajoitettuja kuparivälejä, lämmönhallintahaasteita).
• Kysy lisäarvoprosesseista: Jotkut valmistajat tarjoavat sisäistä SI-simulointia, automatisoitua verkkoluettelotarkastusta tai edistynyttä testausta/tarkastusta (kuten röntgensäteilyä HDI:lle).
• Tarkastellaan yhdessä prototyyppipalautetta: Tarkkaile ensimmäisiä tuotoksia yhdessä juotovirheiden, odottamattoman kapasitanssin/induktanssin tai SI/EMI-kuumien kohtien osalta – ja toistetaan tarvittaessa ennen laajentamista.

DFM- ja valmistajan yhteistyölista

Esimerkki käytännöstä: Tuotantohyötysuhteen korjaaminen DFM:llä

Langaton IoT-keskus, jossa on 10-kerroksinen sekasignaalinen PCB, epäonnistui impedanssitestissä differentiaalisissa USB-lineoissa ensimmäisellä valmistuserällä. Juurisyy: määritetyn alhaisen Dk:n prepegin kielletyt korvaukset aiheuttivat johdoin impedanssin nousun 100 Ω:sta 115 Ω:aan, mikä johti vaatimustenmukaisuuden epäonnistumiseen. Yhteistyössä valmistajan kanssa, varmentamalla kaikki materiaalit ja lisäämällä kerrosrakenteen dokumentoinnin Gerber-tiedostoihin, suunnittelu läpäisi sekä SI- että EMI/EMC-testit seuraavalla erällä—saavuttaen 100 %:n tuottavuuden.

10. Sekasignaalisten PCB:ien testaus luotettavuutta varten

Perusteellinen testaus on viimeinen turvamekanismi sekamuotoinen PCB laatu Ja signaalin eheys . Vaikka suunniteltu piiri olisi huolellisimmalla tavalla, se voi silti sisältää valmistusvirheitä, signaalin eheyden ongelmia tai ennakoimattomia olosuhdeviattoja. Kattavien validointistrategioiden avulla, jotka kohdistuvat sekä analogisiin että digitaalisiin alijärjestelmiin, suojaat tuotteesi toiminnallisuuden, määräystenmukaisuuden ja pitkän aikavälin luotettavuuden.

Miksi kattava testaus on kriittistä

Sekasignaaliset PCB:t yhdistävät ainutlaatuisesti analogisen herkkyyden ja nopean digitaalisen kytkentänopeuden – mikä luo testiympäristön, jossa jopa pieni häiriö tai parasiittinen ilmiö voi aiheuttaa järjestelmätason vikoja. Tuntemattomat ongelmat, kuten maapomppu, virtahäiritsemät tai kellon jitteri, voivat pilata kuukausien mittaisen suunnittelutyön ja heikentää käyttökelpoisuutta kentässä.

Tärkeimmät testityypit sekasignaalipiireille

1. Toiminnallinen testi

• Tavoite: Varmistaa, että sekä analoginen että digitaalinen piirusto toimii suunnittelumäärittelyjen mukaisesti.
• Menetelmät:  
  • Syötä tunnettuja analogisia signaaleja ja tarkista ADC/DAC:n siirtofunktiot lineaarisuudelle, kohinasuhteelle (SNR) ja kokonaisharmoniselle vääristymälle (THD).
  • Käytä logiikanalyysaatoreita ja protokollatestejä digitaalisten väylien (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) varmistamiseen oikeasta ajituksesta, virheettömästä tiedonsiirrosta ja protokollayhteensopivuudesta.
  • Käytä silmukkakokeilumalleja ja itsentarkistavia firmware-rutiineja korttitason alustukseen.

2. Ympäristökuormitustesti

• Tavoite: Paljastaa piilotetut viat tai SI:n herkkyydet ääriolosuhteissa kuten lämpötilassa, kosteudessa ja värähtelyssä.
• Menetelmät:  
  • Lämpötilan vaihtelutesti (esim. –40 °C:sta +85 °C:een), käynnissä olevana ja pois kytkettynä.
  • Kostean kestotesti, erityisen tärkeä analogisille etuosille tai ympäristöön altistuville korkean nopeuden I/O-liitäntöille.
  • Värähtelyn ja iskun simulointi—seurataan signaalin katkeamista, maan pomppimista tai liittimiin liittyviä SI-ongelmia.

3. EMI/EMC-yhteensopivuustesti

• Tavoite: Takesee, että kortin emissiot ja herkkyys ovat sääntelyrajojen sisällä (FCC, CISPR, autoteollisuus, lääketekniikka jne.).
• Menetelmät:  
  • Lähetetyt häiriöt: Skannaa kytkentälevyäännekoisessa kammiossa mitataksesi EMI-häiriöt meluisista kellotuloista, nopeista dataviivoista ja virtapiireistä.
  • Johdettujen häiriöiden mittaus: Arvioi, syntyväkö häiriöitä kytkentälevyn virtaviivoille.
  • Herkkyystestaus: Puhalla kytkentälevyä RF-energialla tai ESD-pulssilla ja varmista analogisten/digitaalisten toimintojen vakaus.

Yleiset testilaitteet sekatekniikan PCB-testauksessa

Parhaan käytännön testausmenetelmä

• Suunnittele testipisteet asettelussa: Sisällytä sekä analogiset että digitaaliset mittauspääsyt — varmista esteettömät alueet oskilloskoopille, logiikkaprobesille tai RF-mittauksille.
• Suorita esituotantovaiheen SI/PI-simuloinnit: Vahvista kriittiset kytkennät virtuaalisesta prototyypistä ennen laitteistoon siirtymistä.
• Protota, vianjäljitä ja dokumentoi: Analysoi varhaisia rakennelmia SI:n poikkeavuuksille (silmänsulkeminen, jitter, kohina) ja kirjaa juurisyy/korjaavat toimenpiteet.
• Suorita perusteellinen vaatimustenmukaisuustestaus: Jopa arvioimattomille tuotteille on hyötyä EMI/EMC-testauksesta, joka usein paljastaa odottamattomia SI-ongelmia, joita aiheuttavat asettelun, maadoituksen tai suojauksen viat.
• Seuraa alustavaa käyttöönottoa: Käytännön kenttäpalautetta on korvaamatonta jatkuvalle SI-vahvistukselle, erityisesti kun sovellukset liittyvät muuttuviin ympäristöihin.