Hvernig getur bestuð marglaga PCB hönnun bætt merkjagæði?

1. Inngangur: Mikilvægi valbreyttra merkjagæða í blönduðum marglaga PCB hönnun

Í dag, í hröðlega aukinni rafeindaviðmiðun, hefur eftirspurn eftir þjappuðum, háþróaðum tækjum leitt til sameiningar á bæði öðrum og stafrænum rása á einni og sömu blönduðu PCB . Þessar plötur keyra allt frá rómetum iðnaðarstýringartækjum til upplýsinga- og umgengistækja í bílum—og í miðju starfsemi þeirra er einn mikilvægur hluti: heildarstöðugleiki merkis .

Merkjagæði (SI) vísar til gæða og trausts rafrænna merkja á meðan þau ferðast yfir prentaða rafplötu. Þegar merki viðheldur ætlunum formi, spennu og tíma á ferlinum, þá virkar kerfið eins og átt var við. En með bæði hárhraða stafrænum PCB hlutum og viðkvæmum öðrum PCB lögunum sem eru á sama stað í raflagni með blandaðri undirbendingu, margfaldast hættur fyrir merkjóða. Hár tíðniskipti, skiptingarskurður og aukaverkanir geta valdið niðrgöngu á merkjum—sem leiðir til milligreining , jardleidara-hopp , og tapa á gagnanákvæmni. Af hverju? Óspáð hegðun rása, elektromagnétísk áhrif ( EMI ) , reglugerðamál og langvarandi tímabil til markaðssetningar.

Af hverju er merkjóða svo mikilvæg í PCB-lögunum með blandaðri undirbendingu?

Lögunum með blandaðri undirbendingu stæðast sérstakar áskorun í tengslum við merkjóða vegna þess að stafrænar rásir framleiða fljóða breytingar á sniðum, spennusvið og kippalaga rafstrauma sem auðveldlega geta arnað analógar leiðir. Aukaþyrla á vísitöluleið jarðplani eða ruslamerki í klukku getur haft í för með sér ónákvæmni í analógri lesun, mistök við ADC-tengingu eða rusl í gagnasamskiptum—allt sérstaklega alvarlegt í öryggisviðriðu eða hálestrarforritum.

Flýtifyndir: Af hverju SI er mikilvægt í gerð raftsveifa með blönduðum stigs

Hvað þessi leiðbeining umferð

Í þessum ítarlega handbók munuðu læra:

• Grunnatriði um blönduðu PCB rannsóknir
• Praktískar bestu aðferðir til stjórnunar á SI (með lykilorðum eins og stjórnun á innri viðnámshlutverki , differential pair routing , og grounding strategies )
• 12-skrefa ferli til að hámarka afköst og framleiðslugetu
• Ítarleg greining á gegnumborðum, lagfjöllum,afbrotshnappum og fleiri
• Lausnir á vandamálum og dæmi um mál
• Nýjustu tól fyrir SI-símun og PDN greining

2. Hvað er gerð á PCB með blönduðum stigum?

A blönduðu PCB er prentaður rakelbrot sem sameinar bæði analóg og stafræn hlutlæg í einni undirlagi. Þessi sameining gerir tækifæri fyrir nútímavörum til að tengja heiminn í raunveruleikanum – analóg – við stafræna sviðið, og gerir mögulega allt frá IoT-vörum með mörgum dulkunnugildum að framúrskarandi rafstýringum í ökutækjum.

Skilgreining á PCB-sviðum með blönduðum stigum, analógum og stafrænum

• Analóg PCB vinna með samfelld merki – eins og hljóð, hitastig eða spennustig. Þessi merki eru mjög viðkvæm fyrir hlýjum, truflanir og litlum spennubragðum.
• Stafræn PCB vinna með aðskilin rökmerki (0 og 1). Þó að þau virðist vera traust, eru stafræn rásir – sérstaklega hraðar – miklar upprunna stafrænra elektromagnétískra hlýja, jafnvægisbylgja (ground bounce) og samtímis skipt út afköstum (SSO).
• Gerð á PCB með blönduðum stigum vísar til uppsetninga þar sem þessi tvö svið verða að nýtast saman, og krefst þess vegna nákvæmrar athygils heildarstöðugleiki merkis , jörðun og vandamál tengdar rafmagnshlutverkum.

Algeng notkun á blandmerkjum prentplötu

Blandmerkjum prentplötu eru grunnurinn undir mörgum misjafnar stjórnkerfum, eins og:

• Iðnaðar sjálfvirkni: Rauntíma stýring með nákvæmum viðmótum fyrir tilvísanir.
• Veiturendarskipanir: Upplýsinga- og íhlutaakerfi, stjórnun rafhleðslu, öflug ökustýring (ADAS) og vélstýring.
• Neytendatækni: Snjallsíma, föt með tækni, hljóðtæki og myndavélar.
• Læknisbúnaður: Sjúklingaeftirlit, myndavafertækjakerfi og greiningartæki.
• Tal: Vefrótningar, sendi móttakarar, SDR og hraðnetsbúnaður.

Tafla: Dæmi um notkun á blandmerkjum prentplötu

Af hverju er hönnun á blandaheildstæðum PCB erfið?

Aðalvandinn er að stjórna heildarstöðugleiki merkis , vegna þess að:

• Tölfræ karfan búa til fljóta spennuskop (hár dV/dt, háur di/dt) sem vækkja hlutlausn á sameiginlegum jörðum og rafmagnshnetjum.
• Analogarra kringur eru viðkvæmar fyrir lágri hluta, jafnvel á mikróvólt nívó, sem getur valdið HVH niðurgöngu í hlutfalli milli merkis og hluta (SNR) THD heildarharmonískt afgangs (THD) í sniðgjörum (ADCs).
• Klukkur (eins og þær sem keyra ADC-tengingu ) og gagna-línur fara yfir margar svið, sem vekur fram milligreining , afturkomuskríningar í leið , og tímingarvillur.
• Slæmlega útfærð grounding strategies og PCB-laguppbygging getur aukið áhættuna, sérstaklega í þjöppuðum mörglaga borðum.

Skilningur á lykilelementum í blandaðra raunfyrir neytistækni

Velheppnað blandaðra raunfyrir PCB nákvæmni:

• Aðgreining: Halda stórri hreinleika í analogra stefnum frá stafrænni truflun með uppsetningu, skilnautdeilingu eða verndihringjum.
• Töluvert viðskipti: Tryggja að ADC-hnútar þínir (t.d. 12-bit eða 16-bit) og DAC-hnútar veiti nákvæmar upplýsingar með lágri skammtíma óvissu með notkun hreinnar klukkudistribúts kerfa og örugga afkopplingu.
• Stýrt inniheldni: Nauðsynlegt að halda 50 Ω einstefnu eða 100 Ω mismunandi línur fyrir hár gagnahraða með mikrostrip, stripline eða samsvörunarsveifluskerpingaruppbyggingum.
• Áhrifamikil rafmagnsveita (PDN): Minnka sveiflur og viðhalda stöðugum spennur með viðeigandi afhleðsluhlekkjum og hönnun rafmagnsskífus.
• Skjólingur og EMI-stjórnun: Nota gegnumskurðar (via stitching), koparútnefningu eða Faraday-borð í lykilviðkvæmum svæðum.

3. Lykilmál í SI-örvun á tveggja tegundina PCB

Að hanna traust blönduðu PCB (SI) verður ekki bara erfiðari – heldur ómissandi – eftir því sem gagnahraði eykst og þéttleiki plötu aukist. Hér að neðan fjöllum við um helstu vandamál SI sem hver hannaður tveggja tegundina PCB hlýtur að leysa til að framleiða treyju, háframtæk vörur. heildarstöðugleiki merkis sI

1. Raftröð og hlýjutenging

Þegar rafeindir og stafrænar línuferðir ganga nálægt hvor annarri, sérstaklega yfir langar samsíða strik, svo innleiða fljóthvættar stafrænar stefjur hlýju í viðkvæmar rafeindalínur gegnum sameiginlega vasa og lýsingu – fyrirbæri sem þekkt er sem milligreining . Í hraðhönnun getur þetta valdið verulegum villum í rafeindamælingum eða skaðað gögn. Slæm differential pair routing og ósamræmdar álagningar auka á þessu vandamáli.

2. Jörðskopa og jörðlykkjur

Jardleidara-hopp kemur upp þegar hárhraða stafræn útgöt eru skipt á sama tíma, sem veldur skyndihnekkjum í jörðspennu. Þessi hnekkjur (samtíða skipting útgaunga, eða SSO) eru sérstaklega vandamál þar sem rafeinda- og stafrænuhlutarnir deila öllu eða hluta af jörðplaninu. Þetta leiðir ekki aðeins til tímasetningarskilnings í stafrænum kerfum heldur truflar einnig tilvísunarspennur fyrir stafræn-rafeindaviðtölvar, op-amper og viðkvæmar tilfinnar.

Jörðlykkjur kemur upp þegar til eru margir jörðunarleiðir, sem mynda óæskilegar „öndvarfar“ sem geta valið upp hringskerð, sveiflur eða taka við umhverfis-EMI. Þetta gerir grounding strategies —eins og varúðarleg skipulag og jörðun í einum punkti—afkritískt fyrir blönduð raflanefni.

3. Rafmagns dreifingarkerfi (PDN) hringskerð

Breytingar á rafspennulínunum, sem koma fram vegna fljótra skiptitæki (t.d. stafrænar SM, klukkudriftar), geta valið upp bylgjur og burst af hringdrikt sem berst beint yfir í hliðrafaðrar spennulínur eða inntak fyrir hliðrafaðar viðmiðanir. Ef afbrynjandi kondensatorar eru ónógir, ranglega settir upp eða hafa slæmar ESR-eiginleika, minnkar rafmagnsgæðin. Óstöðugt PDN brestur ekki aðeins undir SI heldur leggur líka á vinstihlutfall ADC (valdið sveiflur, minnkun SNR og jafnvel virknivillur).

4. Bárustillingarviðbrögð og truflanir á endurleiðsluleið

Hraðmikil stafræn merki hegða sér eins og stýrðar viðtökuvíðeigðar millifærslulínur (venjulega mikrostrip eða stripline), og hvaða afbrot sem er – eins og illa hönnuð via, tengi eða skipt rafmagns-/jardvegur – mun velda endurspeglingum á merkjum, standandi bylgjum og viðtöku mismun . Á sama hátt verða til- og fráleiðingarferlar bæði fyrir hliðrunar- og stafræn merki að vera stuttir, beinar og án skilnaðar eða stubba, annars endurspeglingar og merki tap komast.

Töflu: Algengir truflanir og áhrif þeirra

5. EMI/EMC-kvillar

Rafsegultruflun (EMI) og elektromagnétísk samhæfni (EMC) eru yfirleggjandi áskorun, sérstaklega í blönduðum lagfærslum. Tvíundarrafasvið sem breytist fljótt virka sem EMI „geimara“, en önnur tæki eins og sendifælar, RF inntök og ADC eru viðkvæm „fórnarlömb“. Ávöxtun skjalning , slæm uppsetning á síkum og vantar á skammstöðulokanir geta breytt plötu í útsendihlut, sem reynir mistök við reglugerðaprófanir.

6. Tilgangsreglur og dreifingartæknileg vandamál varpahleðslu

Óstöðugt klukkudistribúts eða of mikið varpa hrunnun getur valdið tímalagsmisstillingu (skew) á milli svæða, sem veldur óspáðri seinkun, metastöðugleika og villa við geymslu á gögnum – sérstaklega við yfirferð á varpastjórnarsvæði . ADC og DAC eru sérstaklega viðkvæm fyrir hlýrði og hrunnun í varpahljóðlyklum, sem minnkar virka bandbreidd og nákvæmni.

7. Ónóg prófun og greining áður en lagfæring

Nútímaflókið rafrásplötu gerir óhætt að "giska" án sérstakrar SI-símun og rafeffu (PI) greiningar. Samtökluverkfæri (eins og HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) leyfa hönnuði að sjá á undan og leiðrétta litlum vandamálum—eins og mismunandi lengdir, aflétt afhendingarbrautir, slysinn getni og hitapikkar—langfyrir framleiðslu.

4. Bestu venjur og lykilmátarspjöll

Þekkingu á blönduðu PCB með framúrskarandi heildarstöðugleiki merkis krefst námundaðs, heildarkerfskenndar aðferðar. Hvert ákvörðunartaka—frá lagabeitingu til rafeindistribúts—getur haft áhrif á lokaleistung töflunnar í raunnotkun. Í þessari kafla munt þú finna nauðsynlegar, beint útfærilegar bestu aðferðir sem taka fyrir bæði hönnunargrunnatriði og háþróuðar aðferðir til samintegrunar analóg/stafrænra kerfa.

1. Skipuleggja aðgreiningu töflu snemma

Klár skilgreind virkni er mikilvæg. Úthluta sérstökum svæðum fyrir öðrum PCB og stafrænum PCB raunvörun á meðan séð er um uppsetningu á skýringarmyndum og skipulag á rauntímaflötum. Lóðrétt fjarlægð minnkar mikið áhrif hlarkunnar, jafnstillingarstöðugleika og millirörverkan á milli sviða. Regla í töfrinu: heldu aldrei stafrænum klukkuliðum eða hraðra gagnaflutningi undir eða nálægt viðkvæmum analógum hlutum.

Lykilmál:

• Settu ADC, snertlar og analógforvara eins langt og mögulegt er frá sveifluborðum, FPGA, rafbryslum og háfrekvensskrystallgjafarum.
• Svíi stóru stafrænu gagnaviðförin þannig að þau séu hornrétt á lykil analógmerki til að takmarka viftutengingu.

2. Lagaðu PCB-laguppbygginguna

PCB-laguppbygging hefur áhrif á allt frá EMI-vörn gegn truflanir til impedansstjórnunar. Notaðu laguppbyggingu sem setur hárhraðalög með rauntímaraflni á milli fullkominnar, óbrotinnar jafnvöru (og þar sem nauðsynlegt er, afls) plana. Þetta býr til ekki bara merki við reglubundnar impedanslínu heldur gerir einnig kleift stutt og bein afturkomuvegi fyrir hraða milliskotstrauma.

3. Aðalmarkaðar jarðtengingaraðferðir

Jarðtenging er grunnsteinn blandaðra rýmismerkja í tilliti til heildarlegs. Almennilega eru tvær skoðanir á þessu:

• Einastaðar jarðtenging (stjörnujarð): Afgrænn tengipunktur tengir saman rýmis- og stafrænar endurhleypingar á stjórnkuðum hátt – sérstaklega áhrifamikill fyrir lág- og miðrafa loftnetsformgerðir.
• Samfelld jarðsýfing: Fyrir hærri hraða/einkvæmi hönnun, býður fastur, samhengilegur kopparsýfing með varlegri skiptingu (ef nauðsynlegt er) upp á stystu haustvegi fyrir endurheimt og lægsta myndun á EMI.

Bestu aðferðir til að tengja við jörð á blönduðum töflum:

• Forðist jarðlykkjur með því að tryggja einn endurheimtiveg fyrir hverja rafmagnshluta.
• Ekki deilið í jarðsýfingar handahófskennt. Aðeins deila ef algerlega nauðsynlegt er, og alltaf tengja við eitt punkt með lágan viðnám undir ADC eða aðal umframleiðsluaðgerð.
• Notaðu verndihringi eða koparúteldingar í kringum hátt andspennuháðar rásir og mikilvægar rafeindakerfi til að frekari vernda þá.

4. Stjórnið andspennu og notaðu tvíundarleiðbeiningar

Hraðar stafrænar spor verða að leiða sem stjórnun á innri viðnámshlutverki spor, samsvara kröfum viðmótsins (50 Ω einstefna, 100 Ω tvíhliða á venjulegum grundvelli). Þetta lágmarkar endurkast og standandi bylgjur. Fyrir tvíhliða merkingu (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) eru spormellur og lengdajöfnun nauðsynleg.

5. Tryggja traust rafmagnsdeildingu og afskiptingu

Þitt rafmagnsdeildarkerfi (PDN) verður alvarlegri verkfræði.

• Notaðu sérstaka reglur eða síaðar svæði fyrir hliðar rásir fyrir rafeindatækni og stafræn tæki. Lágmáttar LDO (línuraglar) fyrir rafeindatækni, skiptireglur (SMPS) fyrir stafrænar álag, síað eftir þörfum.
• Settu afskiptingarvélrásir sjálfsagt (með mörgum gildum til að sía hár og lágr mótstaða) eins nálægt og mögulegt er afleysingarpinnunum á SM. Veldu vélrásir með lágan ESR og notaðu blanda af keramískum MLCC (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF o.s.frv.).
• Notaðu járnóxíð perlan eða litlir aðgreiningaríþrottaviðnám á milli analóg- og stafrænnisvettvangs/rails.

Dæmi um afgreiningartöflu

6. Forgjörfall EMI/EMC stjórnun

Nota marglaga aðferð:

• Nota skyggjuloki og metallhylki fyrir háhættu analóg- og RF-hluta.
• Gegnumhola saumur (reglulega dreifð jörðunargötu) í kringum analóg hluta og eftir borðakantum læsir inn endurkomulaga rafstrauma, sem minnkar EMI „leka“.
• Varaðlega tímaskipulag : Tímalínur ættu að vera stuttar, lagðar í burtu frá analog-svæðum og verndaðar með aðliggjandi jafnleidingslóðum eða -plönum. Forðist að leggja tímalínur yfir skorin eða skipt jafnleidingarsvæði til að koma í veg fyrir útsendingu.

7. Staðfesting með líkanagerðartólum og DFM-auditoring

Ekki ályktið – gerið líkanagerð! Notið SI-símun og PDN-greiningartól eins og HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity, eða innbyggð tól í Altium/OrCAD til að meta:

• Táknsjónarglugga (signal eye diagrams)
• Spáningar um millirmingun (crosstalk)
• Heilbrigði vetrarleiða
• Raf- og jafnspennuskálft
• Hitapunktir/stjórnun

5. 12 skref til að ná yfirborðsformplötuhönnun með blönduðum merkjum sem er ákvarðaðlega skilvirk

Meistara heildarstöðugleiki merkis með venjulegu, skref fyrir skrefi ferli er í kjarna hönnunar yfirborðsformplötu með blönduðum merkjum sem virka áreiðanlega undir raunverulegum takmörkunum. Hér fyrir neðan farum við í gegnum 12 sannað skref – hvoru tveggja endurspegla bestu verkfræðireglur í iðjunni, algengar villur og verklegt verkfræðikunnátta.

Skref 1: Aðgreini hringi fyrir hliðreina og stafræn svæði snemma

1.1 Greini hliðrein og stafræn svið

• Farðu yfir uppsetningarskjölin þín til að flokkva hlutana sem eingöngu hliðræn, stafræn eða blandaðar tegundir (eins og ADC, DAC, CODEC).
• Táknaðu virkni hverrar rása: laghljóð rásir, stafræn rökræði, hraðvirkar klukkur, o.fl.

1.2 Raunhæf staðsetning

• Einkenni fysiskum aðskilja analog- og stafrænar svæði á PCB-lagningu.
• Beinið analog-signalum frá stafrænum böndum og forðist að beina stafrænum leiðum undir analog-IC.
• Notaðu silkscreen eða koparmerki til að gefa til kynna markaðsvæði, sem hjálpar við samsetningu og villuleit.

Skref 2: Veldu hluti með viðeigandi viðmótum

Þegar mismunandi undirkerfi eru sameinuð, bætir val á réttu viðmóti bæði framkvæmdir og heildarstöðugleiki merkis .

Algeng viðmót og bestu notkunartilvik

Skref 3: Bæta við auknum ADC-aðgerðum fyrir nákvæma mælingu

3.1 Veldu réttan ADC fyrir verkefnið

• Skoðum lykil eiginleikar ADC : Upplausn (12, 16, 24 bitar), SNR, THD, hámarks sýningartíð, inntaksþjöppun, vissilagsstöðugleiki.
• Veldu byggingu sem hentar forritunum: SAR, Sigma-Delta eða Pipeline ADCs.

3.2 Tryggðu stöðuga klukkutíma og aðgreindu hlagaheimildir

• Notaðu klukkur með lágan stafrófi (low-jitter oscillators). Stafrófi í klukku minnkar virka fjölda bita (ENOB) í hraða-ADC.
• Aðskiljið klukkuleiðslur rýmislega frá skynjunarrásnum með mikilli truflun.
• Brytjið áfyllingu ADC með lífrænnum með lágan ESR.

3.3 Haltu vissilagsspennu hreinri

• Setjið vissilagslífræn (10–100 uF, ásamt 0,1 uF keramík) nálægt Vref pinnanum á ADC.
• Varnhringir í kringum tilvísunarlínur minnka enn frekar truflanir.

Skref 4: Hönnun á árangursríkri PCB-lagauppbyggingu

Nákvæmlega verkfræðið PCB-laguppbygging myndar beinben af blönduðu tákni- og rásartækni.

• Settu lag fyrir háhraða tínustiglana við hlið við samfellda tilvísunarplönu.
• Forðist að skipta upp jörðunar- eða aflsræðsluskeljum undir ræktum tínustigum.
• Viðhaldið samhverfu í lagningunni til að lágmarka bögun/krokkun og styðja niðurfellingu á millivirkjunum.

Skref 5: Innleiða áhrifamiklar jörðunaraðferðir

• Einstök tenging milli analog- og digitaljörðunar (venjulega við ADC).
• Nota fastar, breiðar koparútburði/bogana um jörðunarleiðir—lágmöguðu mótvægi og vafmagn.
• Notkum varnarásir og koparútburðir í kringum viðkvæmar analog-rásir.

Skref 6: Optimala aflflutning og afgrenning

6.1 Notaðu sérstaklega aflgjafa

• Aðskilið analog- og stafrænar aflrásir. Notið LDO fyrir analog, sveiflu/ferítíu síun fyrir stafrænt.
• Bútið til AFS-ar og önnur hágæðavirkjabúnaði frá hreinustu mögulegu aflrásinni.

6.2 Afgrenningarvigar fyrir hlýðursíun

• Setjið samsetningu af hámæltisvögum (0,01–0,1 µF) og grunnvögum (1–10 µF) MLCC við hvert SM.
• Lagið lúppusvæðið sem minnst með því að halda rása frá viga að pinni eins stuttar og mögulegt er.

Skref 7: Beinið vandlega hliðrun á rás og tölur

• Ekki krossa rásir fyrir rás og tölur —viðhaldið lögðu, aðskildri beiningu.
• Forðistu að setja hárhraðarpor nær straumdeilingum eða bilunum í jörðunni.
• Jafnið lengd rása fyrir hárhraðapar; notaðu viðnámsreiknitæki til að finna nákvæmar breiddir.

Skref 8: Innleiða hitastjórnunarstefnu

• Greinið hitaelement (regulatorar, hástraumsdrifar, örgjörvar).
• Notkun hitaeðlisgótar og sérstök koparútstreymi (hitaflötvar) til að draga hita til innri eða andstæðra lag.
• Litið til því að nota skyndiventilatír, hitavélir eða jafnvel innbyggð kopar ef hrafnaþéttleiki er háur.

Skref 9: Samstilltu klukkudeilingu til að bæta blandaðarformútgangshönnun

• Flettu út klukkum með lágdrifbúförunum.
• Beinið klukkugrunnum með stuttum, beintlægum sporum, sem eru vernduð með jörðarfletum.
• Forðistu klukkusporna yfir skorin jarðlag – haldið á samfelldum tilvísunarlagum.

Skref 10: Innleiðið verndun til hlýðnisstjórnunar

• Notkun Faraday-burkar , metallhylki, eða föstu koparbox fyrir sérstaklega viðkvæma analóg/RF hluta.
• Stitchið jarðhola þétt umhverfis skjölduð svæði og eftir borðakantum.

Skref 11: Framkvæmið líkan á marglaga PCB hönnun með blönduðum undirstrikum

• Notaðu SI/PI líkanagerðarforrit (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) til að greina:
  • Blekkþungi samfelldni
  • Augnalíkur og sveiflur
  • Veldirrikling
  • Afturhvarfsleiðir og viðbrögð við áhrifum annarra leiða

Skref 12: Undirbúið og haldið til framleiðsluskrár

• Farðu yfir og lokið lagagerðartöllum, lykilefni eiginleikum (t.d. málningartjödd , dielektriskar fastar, gerðir jarðhola).
• Virkja hátt örvunarviðnáms og köll á prufupunkta eru ljós í Gerbers.
• Bættu við athugasemdum með vísbendingum fyrir skjöldun, gegnsær og hita gegnsær.
• Taktu með fullnægjandi tengilista og aðgang að virkri prófun fyrir báðar línur.

6. Skilningur á gegnsærum og áhrifum þeirra á heildarstaða merkja

Gengibor —litlum loddréttum tengingum sem tengja lag í blönduðu PCB —er oft hunsað sem orsök vandræða tengd slæmri heildarstöðugleiki merkis . Hins vegar, eftir því sem klukkutímar hafa hraða sem fer framhjá hundruðum MHz eða jafnvel inn í GHz sviðið, hefur uppbygging gegnsæra aukið áhrif á allt frá breytingum á impedans í sendingarlínum til krossrásar og jörðarsprenginga. Til að ná traustri afköstum við háa hraða eða analóg notkun er nauðsynlegt að skilja og jákvæðlega snúa að einkennum gegnsæra.

Tegundir gegnsæra og hlutverk þeirra í blandaðra merkjum plötu

Gegnsær eru í mismunandi sniðum, hvor og einn með sérstök áhrif á gæði merkis:

Áhrif gegnum lýkkju og getu

Á venjulegum háhraða PCB , gegnum lýkkja og fjölgildi eru samtals þekkt sem aðdráttarafl —óviljandi aukaverkanir sem breyta hröðum kantmörkum. Þessar áhrif eru sérstaklega vandamál í stjórnun á innri viðnámshlutverki (t.d. 50 Ω einhliða, 100 Ω tvíhliða) umhverfi.

Lykilefni:

• Óvænt víðnám orsakir:
  • Hægri brúnir, minni mikið á háum tíðni
  • Bragð, ofurþrýstingur í stefnu og sveiflur
• Óvæn getuferni orsakir:
  • Staðbundin truflun á viðnámi, formbrigði við hraða brúnir
  • Aukin samtengingarmagnun milli gegnumborða eða við aðliggjandi sléttur

Dæmi: 10 Gbps gagna lína

Gegnumborð með 1 mm stub (ónotuð lýkkja innan í prentplötu) getur valdið bylgjuhrist á nokkrum GHz, sem alvarlega eyðileggur 10 Gbps rafrásarskjálning. Að fjarlægja eða styðja þessa lýkkju (með gegnumborða bakboringu eða notkun blindra smábora) endurheimtur rafsegulmagn, augnbrautarbredðu og tímaskelfingu innan markkerfa.

Strategier fyrir vía-áætlun og stigsheild

Að hámarka notkun á vium er einn mikilvægasti ákvörðunartakmarkið í hraðahraða og blönduðum PCB. Hér eru helstu bestu aðferðir:

• Lágmarka fjölda via í gegnum öll gagnstreymis hraðamikil eða viðkvæm rásar.
• Notaðu lífrýmisviur eða stutt blindviur frekar en löng gegnumborin viur í GHz+ leiðum.
• Forðastu via stubba :

• • Notið, þar sem mögulegt er, afturborningu til að fjarlægja ofkostnaðarlegan via-karlinn undir virka laginu.
  • Eða takmörkið via-yfirfærslur við „lag-til-lag“ án ónotuðs hala.

• Optimaligið staðsetningu á vium :

• • Virkja samhverfu í mismunandi pörum.
  • Halda hraðvirkum gegnumborðum nálægt tilvísunargrundborðum (gengi gegnum borð) til að lágmarka lykkjusvæði og styðja endurkomuslóðir.

• Návist við jardföslur : Fyrir stafræn og blandaðar rauntækni, skal alltaf setja jardgengi nálægt hverju rauntækni-gengi, til að minnka hættu á útvarpaðri EMF.

Töflu: Leiðbeiningar um aðlagningu gegnumborða

Hámarkshlutfallsaðferðir fyrir framleidslu og SI

Hlutfall (hlutfall holu dýptar til þvermáls) áhrifar bæði á framleiðslu og gæði stefjuskilgreiningar. Há hlutföll gerðu bekleðingu ótraustanlega (hætta við tómrum eða opnum rörum) og auka via-impedans, sérstaklega í HDI hönnunum.

• Lágmarksaðalgert hlutfall: ≤10:1 fyrir venjuleg gegnumfarandi holur; mikið lægra fyrir smáholur
• Notkunartilvik: Fyrir 1,6 mm grófa PCB, leyfir lágmarks 0,16 mm (6,3 mil) borrholu örugga bekleðingu

SI dæmi: Smáholu vs. gegnumfarandi holu á háhraða raðtengingum

Símulagshönnuður sem samsetti 12-laga blandafrumsiglinga bakplötu kaus að skipta út eldri gegnumfarandi holum með afturborrðum blindum smáholum á 6,25 Gbps SerDes pör. Augmynd jitter minnkaðist um 31 %, afskipti (við 5 GHz) helmingaðist og hönnunin fyllti kröfur við upphaflega EMI prófanir – sem sannaði beina SI ávinninginn af nútímavera via-aðferð.

Yfirsýn yfir bestu aðferðir

• Veldu gerðir og uppbyggingu holna eftir heildarstöðugleiki merkis kröfur, framleiddarprófun og lagningaruppsetningu borðsins.
• Líkja eftir (með Ansys SIwave, HyperLynx eða Altium SI-verkfærum) öllum áhrifum frá gegnsurum, bylgjuhvelkun eða afspjöldun – sérstaklega á línur yfir 500 Mbps eða mikilvægum analógum stefjum.
• Jafnvægið alltaf SI-kröfur við DFM-afturgjöf frá PCB framleiðandanum til áreiðanlegs framleiðsluferlis.

7. Stjórnunarplönustrategíur fyrir hraðvirka og blandaða inntaks PCB

Rétt verkfræðiunnin jarðplani er ósýnilegi vararinn fyrir heildargæði stefjanna í hverju hárflutnings rafmagnshluti blönduðu PCB þegar tölfræðihraði eykst og nákvæmni í analogri mælingu aukist, verður jörðunarkerfið að lykilatriði sem skilar öllum stefjum aftur, verndar gegn EMI og er „núll-volt“-tilvísun fyrir allar mælingar, bæði analóg og tölfræðilegar. En smáar villur í uppsetningu jörðunarplönum geta samt orðið að fellibyggingu jafnvel hinum bestu hönnunum.

Hlutverk jörðunarplönum í blandaða inntaks PCB

Báðum öðrum PCB og stafrænum PCB undirkerfin, fer jörðunarplatan þrjú aðalhlutverk:

• Stefjaskil: Tryggir lága hindrun og beina leið milli uppruna og niðurstöðu fyrir bæði hárhraða tölfræði og viðkvæma analóg stefjur.
• Hávaðaskipun: Veitir óafléttan skjöld sem hefur áhrif á útgegnarútvarp, takmarkar bæði innri millargrípen og viðtöku ytri truflanir.
• Stöðugleiki viðmiðunar: Viðheldur fastri spennuviðmiðun, sem er nauðsynleg fyrir ADC-tengingu og nákvæmar rýmarmælingar.

Bestu aðferðir við útfærslu jörðunarplönu

1. Notaðu föstu, óaflétt jörðunarplönu

• Afritaðu alla lag (eða lög) til óaflétts jörðunar.
• Forðastu að klippa, gera krókur eða skipta upp þessari plönu undir stefjulínur.
  • Frumvarp: Allur króki eða brot í jörðunarplönum undir hraðalínur fellur aftur á endurhvarfsefni sem fara um langhlið, aukar lykkjumál, hávaða og viðkvæmni fyrir hlarki verulega.
• Settu hárhraða og hálgisróf rýmisrásir beint ofan á viðmiðunarjörðina sína, stytta endurhvarfs"lykkjur" og lágmarka vandamál tengt slysandi lýkt

2. Aðskiljið analógar og stafrænar jörðunum—með rökrétti

• Fyrir margar blanda-taugspjöld er ráðlegt að röklega (ekki alltaf í raun) aðskilja analógar og stafrænar jörð, og tengja þær í einu punkti stjarnupunkt —oftast beint við ADC eða DAC. Þetta krefst þess að rusl frá stafrænni jörðvandamálum bregðist ekki við við tilvísanir fyrir anlóga mælingar.
• Notaðu raunverulegar skurðlínur tengingar aðeins ef nauðsynlegt er ; skiptið aldrei jörðunum nema með ástæðu, og tryggðu alltaf lágt viðnám „brú“ við lykiltengingar/staði viðmótanna.
• Forðist langar samsíða hlaup af spor sem tengjast analógri og stafrænni jörð sem geta verið sem loftnet.

3. Sauma jörðunarplönu með gegnumhola

• Notkun gegnumhola saumur í kringum skjólfæru svæði, borðakanta og nálægt gegnumholum fyrir hraða stefju. Þétt settar (≤2 mm) jörðunargöng veita áhrifamikla innlukningu við RHL og minnka stefjuskil á endurkomuskríði.
• Fyrir mismunandi eða hárhraða pör sem fara yfir plönum, passið upp á að vera með jörðunargöng í báðum endingum til að leiða endurkomustrauminn rétt.

4. Notið marglaga jörðunarplönu fyrir mikilvæg umhverfi

• Marglög bölvunarfrí hönnun (t.d. 4, 6 eða fleiri lög) ættu alltaf að hafa fleiri en eina jörðunarplönu til lægri hindrunar á endurkomustreymi og aukaskjóls. Litið er til „jörðunarsandwich“ aðferðar með tveimur jörðunarplönum í báðum endingum merkjajaðarslags.
• Dæmi um laguppbyggingu:  
  • Lag 2: Heilt jörðunarlög fyrir stafrænt
  • Lag 4: Jörðunarlög fyrir anógl (tengt í stjörnupunkt ADC)
  • Lag 6: Framranga- eða skjólfærujörð (fyrir búnað eða RF notkun)

Praktíska leiðbeiningar fyrir jörðlagsplönu—Tafla

8. Rafvirkniheild: Tryggja hreint rafmagnsveita kerfi

Hönnun fyrir traust aflheildargildi (PI) er ekki bara um að veita spennu til tækjanna þinnar – heldur um að tryggja að hver rafanálarfræðilegur framenda, hvert hárhraða tölutákni og hver nákvæm viðskiptavél fái alltaf rólega, ótrúnaða aðgerð undir hvaða raunverulegum álagskilyndum sem er. Í gerð tveggja raftegundaskorts (mixed-signal PCB), orkudreifingu eru stefnur jafn mikilvægar og heildarstöðugleiki merkis grunnfesting og varmaandstaða.

Af hverju rafmagnsheildarstöðu skiptir máli í tveggja raftegundaskortum

Raustugt eða veikt rafmagnsveitukerfi (PDN) geti veikið bestu lögun á rafeindakerfinu, hvort sem er fyrir rafeindaeiginleika eða töluuppsetningu. Litið skal á:

• Rafmagnsrýming getur tengst beint inn í ADC-tengingu , sem minnkar virkaupplausn og SNR, og veldur rusl á klukkubonden tengingum.
• Tilbrigðisfall („jardlekkir“) vegna hraða tölfræðilegs skiptingar mynda jardleidara-hopp eða krossrörverkan, sem rásir með víðtækt gæði gætu auðga eða afkóða.
• Ónógu margt afbrynjandi kondensatorar eða slæmlega sett stórmengjuspenningar geta leyft spennulínunum að sveiflast eða hræringast, sem kann að skaða rökrými og lesanleggingu á snemma.

Aðferðir til hreinnrar aflgjafa

1. Aðskilja rásarsvið fyrir análg og stafræn gildi

• Notaðu sérstakar análg- og stafrænar línur allstaðar þar sem mögulegt er. Matveitið análg-sviðið frá lágbylgju línuraglæsum (LDOs), en hárhraða skiptiritlum (SMPS) er hægt að nota fyrir stafræn svið.
• Fyrir viðtök við mikilvægan mælingara eða háupplausnar ADC-tæki, bætið við aukalegri síu fyrir análg-aflgjöf (LC eða járnkorn + kondensator).
• Aðskilið í raun análg- og stafrænar aflsléttur eða útgjöf til frekari aðgreiningar á viðkvæmum hlutum.

2. Nota PDN-greiningu og markmið fyrir hindran

• Skilgreindu og límdu PDN þinn með PDN-greiningartól tólum (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys, o.fl.) til að tryggja að öll chippar fái stöðugan spennu við hámarks álag.
• Settu upp markmið fyrir hindrun (Z_target) fyrir hvern rásarspenna. Fyrir nútímaleg rafrásir (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V rásir) getur þetta verið eins lágt og 10–20 mΩ fyrir hárafa leiðir.

3. Lagföldun á afhleðsluhleðslum

• Settu samsetningu af MLCC (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) eins nálægt og mögulegt er við hverja aflsrás – helst beint undir eða viðhliðs með stystu leið.
• Notaðu stærri grunnhleðslur (10 μF, 22 μF, tantal eða keramik) sem eru dreifðar nálægt flokkum af IC eða við aflsgátt.
• Fyrir hárhraðara tölfræðisbúnað (FPGA, MCU, DDR) skal nota aukalega staðbundna afhleðslu til að minnka samtíminefni (SSO).

Dæmi: Tafla yfir afhleðsluhleðslur fyrir PCB með blandaðum tökum

4. Lágmarkaðu aflsplönumotstönd og hljómbrot

• Auka mýsinstyrk (≥1 oz/ft²) og flatarmál fyrir nauðsynlegar analogaflsraila til að minnka viðnám.
• Halld lögun plönum einfaldar og óskorðaðar. Forðist þrungt hálsmál eða útskot sem hækka staðbundið viðnám.
• Beini stuttum, breiðum leiðslum frá upprunastað (regulator) að álaginu, án þess að fara yfir háhljóða svæði.
• Forðist að leggja háhraða merkjaleiðslur ofan í ruslað eða skorin aflsplönum allt sem cost.

5. Ferrítperlur, LC-síur og aðgreining

• Bætið við ferrítperlum á inntök fyrir analogra straumra til að blokka fyrir skiptingarskyndi frá stafrænum hlutum (t.d. MCU kjarna, klukkukringstæki).
• Notaðu LC Pi-netwerkur til að fá mjög lágan støy á ADC straumum eða til að virkja netfæringar.

Tilvikssaga: Leysing á stöðu í blandnum kringstæki

Iðnaðarleg IoT-sensormódul sýndi af handahófi hár útslag í mælingum þegar trådlusendurinn setti mikla gagnafærslu í gang. Greining á rafstreypunni (PDN) benti til þess að há skiptingarstraumur var að koppelast gegnum sameiginlegan 3,3 V straum, sem hafði áhrif á ADC-tilvísunina. Eftir að bætt var við ferrítperlu, auka grófseigun og aðskilnaði analoga VREF frá stafrænu VCC, batnaði SNR á ADC um 22 dB og allar stóyhækkanir hverfu alveg.

9. Hönnun fyrir framleiðslu og samvinnu við framleiðendur

Óháð því hversu sofískuð hönnunin er blönduðu PCB eða hversu grunnsjúk samföllunin er heildarstöðugleiki merkis er tækniborðið að lokum háð því hversu vel það er hægt að búa til, prófa og setja saman hjá valnum framleiðanda. Hönnun fyrir framleiðslu (DFM) —og listin að vinna með PCB-framleiðendum—tryggir að öll þín SI-hásetningar verði að raunverulegri, traustri vélbúnaði án bilunar.

Af hverju DFM er lykilatriði fyrir heppnað blandaðra undirfæra PCB og SI

Nútíma PCB-kort með blandaðum undirfönum nota oft smáarhluta með fínu píts, HDI-lög, nákvæma viðvörunarstýringu, þjappaða gegnholauppsetningu og kröfuríka straum- og jafnlagslagskipan. Ef hönnunin gefur ekki kost á sér framleiðslu í miklum magni með hárri gæði—eða krefst reglubundinnar endurskoðunar vegna óframleiddanlegs hönnunarmáta—eru öll baráttuefni fyrir betri gæði í rásarsviði til enginnar notkunar.

Lykilmát af DFM-hugtökum varðandi blandaðar og háhraða hönnunir

1. Lag uppbygging og tiltæk efni

• Staðfestu ætlunu upphaflega PCB-laguppbyggingu með birgnum áður en laguna er lokað—spurðu um mögulega fjölda laga, lágmarks dielektrísku þykkt og kopparþyngd.
• Notaðu efni sem framleiðandinn hefur á lager (FR-4, Rogers, lág-tap geislavör) sem uppfylla SI-málmið þín varðandi stýrða viðvörun, lágan millirörverkan og hátt afskiptingar.
• Staðfestu samhverfu í lagningu (til að lágmarka brotlagningu), sérstaklega fyrir hraðborð og HDI-borð.

2. Gerðir gegnumbora, hlutfall lengd á móti þvermáli og takmarkanir á bori

• Deila verkefninu þínu kröfur um gegnumboringar (lyktug bori, mikroboringar, blindar/fallegnar) og gangið úr skugga um að hönnunin henti framleiðslumöguleikum.
• Fylgið hlutfalli ≤10:1 fyrir gegnumboringar eða notið stigaðar/stackaðar mikroboringar fyrir HDI.
• Látið vera „sérstök verklegt ferli“ (t.d. afturboring á stubbum) nema það sé nauðsynlegt fyrir SI—þar sem slík auki kostnað og getur lækkað útkomu.

3. Stýring á hindrun—Frá líkingu til raunveruleika

• Tilkynnið markvirkar hindranir fyrir allar sendingarlínur (50 Ω, 100 Ω diff, o.fl.) og vísið til lagningarformunarinnar í athugasemdum fyrir framleiðslu.
• Biðjið um prófunarvísitölur eða millibilaprófanir á hindrun til að staðfesta að lyklanet uppfylli kröfur.
• Staðfestu smíðastofnunnar getu til nákvæmrar rífjungar, bekkju og dielektriskri stjórnunar.

4. Málmtjökk, hringlaga breidd og sporbreidd/fjarlægð

• Stilltu sporbreidd/sporbil og málmtjökk út frá IPC leiðbeiningum og framleiðsluskorrum.
  • Fyrir viðkvæm hugrásar- og aflspor, íhugaðu notkun á ≥1 unce/ft² málmi fyrir traustan aflflutning og lág spennudrátt.
• Tryggðu að hringlaga bretti í kringum gegnumbor (til betri bekkjusikkerðar) uppfylli lágmarkskröfur framleiðandans.
• Staðfestu lágmarks bil á vefjasýningu—sérstaklega í þjöppuðum blandaheiti og BGA svæðum.

5. Prófun og prófunaraðgangur

• Hlutprófunarpunktar á bæði hugrásar- og stafrænum hnútum; vinndu með samsetjara til að staðfesta að festingar geti náð öllum lyklanetum án hindertra tallra hluta, tengi eða skjólghurfa.
• Hönnun fyrir innrifjað prófun og virkni prófun—þessar aðgerðir finna oft SI eða samsetningarvillur.

Virka ávallt vel með PCB-framleiðendum

• Deilið á snemma og oft: Gefið framleiðandanum uppsetningu, markmið fyrir innstigi, lykilplön og þéttleikakort eins fljótt og mögulegt er.
• Biðjið um DFM-yfirferð: Beitið um ábendingar varðandi viðvörunarpunkta (t.d. óframkvæmdir gegnumboranir, takmarkað millibili koppars, vandamál við hitastjórnun).
• Spipið um aukin gildisviðburði: Sumir framleiðendur bjóða innanhúss SI-símun, sjálfvirkri staðfestingu netskrár eða ítarlegri prófanir/kennsl (eins og X-geislavélirn fyrir HDI).
• Yfirfrið protótipa ásamt hver öðrum: Farðu yfir fyrstu vörur saman vegna leðrunarvanda, óvæntra hleðslu- eða víðspenna-áhrifa eða SI/EMI-hiti- svæði – og endurtakið þarf til að skala upp.

Athugunarlisti fyrir DFM og samvinnu við framleiðanda

Raunverulegur dæmi: Bætting á framleiðslubrétt með DFM

Trálaust IoT miðlara með 10-laga gerðarbretti með blandaðum undirbönnum mistókst við staðalprófanir á innra motstand USB-lína í fyrsta framleiðsluloki. Rót vandamálsins var ósamþykkt skipting fyrir tilgreindan lága-Dk fyreflect sem leiddi til þess að motstand slöngunnar hafði brottfarið frá 100 Ω í 115 Ω, og þannig mistókst samrýming. Með beinni samvinnu við framleiðandann, staðfestingu á öllum efnum og bættri skýringu á lagapökkva í Gerber skránum, tókst bæði SI og EMI/EMC prófanir í næsta lotu – og leiddi til 100% framleiðslubréttar.

10. Prófanir á mixed-signal PCBs til að tryggja áreiðanleika

Nákvæm prófun er síðasta verndin fyrir blönduðu PCB gæði og heildarstöðugleiki merkis . Jafnvel hinar nákvæmustu hönnuðu plötu geta haft felldar framleiðsludefektur, SI-vandamál eða óvænt vandamál í raunheimnum. Með því að beita allsherjar gildigreiningaraðferðum sem taka tillit til bæði analogra og stafrænna undirkerfa, verjirðu virkni vöru, samræmi og langtíma áreiðanleika.

Af hverju allsherjaprófun er lítill mikilvæg

Mixed-signal PCBs sameina einstaka viðtæki milli anlagsfæðingar og háhraða stafrænna ræsinga – sem býr til prófunarmilljó sem jafnvel minnstur truflun eða aukaverkanir geta valdið kerfisbrotum. Ógreind vandamál eins og ground bounce, straumsgeislun eða clock jitter geta ruðuð mánuðum af hönnunarvinnum og veikið stöðugleika í reynslu.

Lykilpróftegundir fyrir mixed-signal PCBs

1. Aðgerðaprófun

• Áfangastaður: Staðfestir að bæði analog og stafræn rásir virki samkvæmt hönnunarskiptum.
• Aðferðir:  
  • Setja inn þekkt gröfustuðlar og athuga línuleika, SNR og THD fyrir ADC/DAC umbreytingar.
  • Nota rökanalysatora og prótakolstesta til að staðfesta að stafræn buss (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) virki með réttum tímaásetningum, án villna og samrými við prótakól.
  • Nota lykkjumóta og sjálfskannanleg forrit til frumstillingar á borði.

2. Prófanir undir umhverfishlýðun

• Áfangastaður: Lýtur ljós á felldar vandamál eða SI-vulnerabilities undir hámarki hitastigs, raka og skjálfta.
• Aðferðir:  
  • Hitacyklar (t.d. –40 °C til +85 °C), með straumi og án straums.
  • Rakaheita prófanir, sérstaklega mikilvægar fyrir analógan framenda eða hárhraða inntak/úttak sem eru útsett fyrir umhverfinu.
  • Skjálfta- og skokk prófun – fylgjast með tölubrotum, jardbrotum eða öðrum SI-vandamálum tengd tengiliðum.

3. EMI/EMC samrýmingarprófanir

• Áfangastaður: Tryggir að útblástur og viðkvæmni borðs sé innan reglugerðarbundinna marka (FCC, CISPR, bíla-, heilbrigðisfræði o.s.frv.).
• Aðferðir:  
  • Geislun útvarp: Skannaðu plötu í andklöngum herbergi til að mæla RFI frá hrattum klukkum, fljóttum gagna línum og rafmagnssvæðum.
  • Línuútbreiðsla: Meta hvort truflun sé sett á rafmagnslínur plötu.
  • Örorkuprófun: Beistið plötu með RF-orku eða ESD-pulsum og staðfestið stöðugan hugsanlega/digitalan rekstri.

Algeng búnaður fyrir prófanir á PCB með blandaðum undirritum

Bestu prófunaraðferðir

• Skipuleggja prófunarpunkta í lagfærslu: Hlutir bæði fyrir handvirka og stafræna prófunartækni – tryggir ótrauða pláss fyrir oscilloskop, rökhugtakara eða RF-mælingar.
• Keyrslu SI/PI líkindamódelunar áður en framleiðsla hefst: Staðfestu lögboðnar net í stafræna sniðmótinu áður en fest er við vélbúnað.
• Sniðmótun, kembulagafjarlæging og skjölun: Greinið upphafleg byggingar á mismun á SI (augaloka, rusl, truflanir) og skráið rótorsakir og leiðréttibaráttur.
• Gerðu grundvallarprófanir á samræmi: Jafnvel vöru sem ekki eru metnar njóta ávinningar af EMI/EMC-prófun, sem oft bendir á óvæntar SI-vandamál vegna hönnunar, jörðunar eða verndarleypinga.
• Fylgist með í upphaflegri útsetningu: Atriði af raunverulegum notkunargerðum eru ómetanleg til varanegrerandi SI-staðfestingar, sérstaklega þegar notkun felur í sér breytilega umhverfi.