Hvordan kan optimalisert flerlags PCB-design forbedre signallitet?

1. Introduksjon: Viktigheten av optimalisert signalintegritet i mixed-signal flerlags PCB-design

I dagens raskt utviklende elektronikkindustri har etterspørselen etter kompakte, høytytende enheter ført til integrering av både analoge og digitale kretser på ett enkelt mixed-signal PCB . Disse platene driver alt fra smarte industrielle kontrollsystemer til bilers infotainmentsystemer – og i sentrum av deres funksjon ligger ett avgjørende aspekt: signalkvalitet .

Signalintegritet (SI) refererer til kvaliteten og påliteligheten til elektriske signaler mens de beveger seg over en printet kretskort. Når et signal beholder sin ønskede form, spenning og tidsavstemming under veis, fungerer systemet som forventet. Men med både høyhastighets digital PCB deler og følsomme analog PCB domener som eksisterer side ved side på et mixed-signal-opplegg, øker truslene mot signalkvalitet. Høyfrekvente overganger, brytespenningsstøy og parasittiske effekter kan svekke signaler—og føre til kryssprat , ground bounce , og tap av dataintegritet. Konsekvensene? Uforutsigbar kretsbetevelse, elektromagnetisk interferens ( EMI ), regulatoriske problemer og tidkrevende forsinkelser før markedsføring.

Hvorfor er signalintegritet så viktig i mixed-signal-PCB-er?

Mixed-signal-kort står overfor unike SI-utfordringer fordi digitale kretser genererer rask edge-hastighet, spenningsvariasjoner og strømstøt som lett kan forurene analoge baner. En feilaktig spiss på en referanse grunnflate eller en korrupt klokke kan bety unøyaktige analoge målinger, mislykket ADC-integrasjon , eller korrupte datatransferer—alt spesielt alvorlig i sikkerhetskritiske eller høyoppløselige applikasjoner.

Faktaoversikt: Hvorfor SI er viktig i mixed-signal-PCB-er

Hva denne guiden omfatter

I denne detaljerte guiden får du lære:

• De grunnleggende prinsippene for mixed-signal PCB ingeniør
• Praktiske beste praksis for SI-håndtering (med nøkkelord som kontrollert impedans , differensiell parsutlegging , og jordingstrategier )
• En 12-trinns prosess for å maksimere ytelse og produksjonsvennlighet
• Avansert dekning av viaer, lagoppbygginger, avkoplingskondensatorer og mer
• Feilsøkingstips og case-eksempler
• De nyeste verktøyene for SI-simulering og PDN-analyse

2. Hva er mixed-signal PCB-design?

En mixed-signal PCB er en kretskortplate som integrerer både analoge og digitale komponenter i et enkelt underlag. Denne sammenslåingen gjør at moderne enheter kan binde sammen den fysiske – analoge – verden med den digitale domenen, og muliggjør alt fra IoT-produkter med mange sensorer til avanserte elektroniske styreenheter i bilindustrien.

Definisjon av mixed-signal, analoge og digitale PCB-domenener

• Analoge PCB-er håndterer kontinuerlige signaler—som lyd, temperatur eller spenningsnivåer. Disse signalene er svært følsomme for støy, kryplasje og små spenningsvariasjoner.
• Digitale kretskort behandler diskrete logikksignaler (0-ere og 1-ere). Selv om de kan virke robuste, er digitale kretser—spesielt høyhastighetskretser—store kilder til elektromagnetisk støy, ground bounce og simultan vekslende utganger (SSO).
• Kombisignal-kretskortdesign refererer til oppsett der disse to verdenene må eksistere side ved side, og som krever nøyaktig oppmerksomhet til signalkvalitet , jording og strømintegritetsproblemer.

Typiske anvendelser av kombisignal-kretskort

Kombisignal-kretskort er grunnstammen i mange kritiske systemer, inkludert:

• Industriell automatisering: Sanntidskontroll med høy-presisjons sensor-grensesnitt.
• Bilsystemer: Informasjonsunderholdning, batteristyring, ADAS og motorstyring.
• Forbrukerelektronikk: Smarttelefoner, bærbare enheter, lydenheter og kameraer.
• Medisinsk utstyr: Pasientovervåkningssystemer, avbildningssystemer og diagnostisk utstyr.
• Kommunikasjon: Routere, transceivere, SDR og utstyr for high-speed nettverk.

Tabell: Eksempel på brukstilfeller for blandet-signal PCB

Hvorfor er mixed-signal PCB-design utfordrende?

Den største utfordringen er å håndtere signalkvalitet , fordi:

• Digitale kretser skaper rask spenningsveksling (høy dV/dt, høy di/dt) som induserer støy på felles jord- og strømnett.
• Analoge kretser er sårbare overfor svak støy, selv på mikrovolt-nivå, noe som kan føre til SNR (signal-støy-forhold) nedgradering og THD (total harmonisk forvrengning) i ADC-er.
• Klokker (som de som forsyner ADC-integrasjon ) og dataledninger krysser flere domener, noe som fører til kryssprat , diskontinuiteter i returveien , og tidsfeil.
• Dårlig implementert jordingstrategier og PCB-lagoppbygging kan forsterke disse risikoen, spesielt på tette flerlagsplater.

Forstå nøkkelkomponenter for blandete signaler

Et vellykket blandet-signal PCB oppnår:

• Isolasjon: Å holde analoge signaler fri for digital støy gjennom layout, delt jord eller beskyttelsesringer.
• Pålitelig konvertering: Sørge for at ADC-ene (f.eks. 12-bit eller 16-bit) og DAC-er leverer nøyaktige, lav-jitter data ved å bruke ren klokkefordeling nettverk og optimalisert avkobling.
• Kontrollert impedans: Påtvinging av 50 Ω enkeltstående eller 100 Ω differensielle linjer for spor med høy datarate ved bruk av mikrobølgeleder, stripleder eller koplanære bølgeledere.
• Effektiv strømforsyningsnettverk (PDN): Undertrykkelse av ripple og opprettholdelse av stabile spenninger med riktige avkoblingskondensatorer og design av strømplan.
• Skjerming og EMI-håndtering: Bruk av via-stitching, kobberfylling eller Faraday-bur i nøkkelområder med høy følsomhet.

3. Nøkkelutfordringer for signalintegritet i forbedrede analog/digital blandede kretskort

Utforming av en robust mixed-signal PCB er en skåret balansegang: den fordrer omhyggelig koordinering av analog følsomhet og det utholdende digitale logikken på et felles underlag. Ettersom datarater øker og tettheten på kretskortene stiger, blir det å sikre robust signalkvalitet (SI) ikke bare utfordrende – men nødvendig. Nedenfor diskuterer vi de viktigste signalintegritetsutfordringene som hver designer av blandet-signal PCB må løse for å levere pålitelige og høytytende produkter.

1. Krypløp og støykopling

Når analoge og digitale ledninger går nær hverandre, spesielt over lange parallelle strekninger, injiserer hurtige digitale signaler støy i følsomme analoge linjer gjennom gjensidig kapasitans og induktans – et fenomen kjent som kryssprat . I høyhastighetsdesign kan dette forårsake betydelige feil i analoge målinger eller korruptere data. Dårlig differensiell parsutlegging og usammenstemmende impedanser forverrer dette problemet.

2. Ground Bounce og jordsløyfer

Ground bounce oppstår når høyhastighetsdigitale utganger kobles samtidig, noe som forårsaker plutselige jordspenningsendringer. Disse endringene (samtidig bryting av utganger, eller SSO) er spesielt problematiske der analoge og digitale deler deler hele eller deler av et felles jordplan. Dette resulterer ikke bare i digitale tidsfeil, men forstyrrer også referansespenninger for analog-til-digital-omformere, operasjonsforsterkere og følsomme sensorer.

Jordsløyfer oppstår når det finnes flere jordreturbaner, som danner uønskede «antenner» som kan forårsake brum, svingninger eller mottak av elektromagnetisk støy fra omgivelsene. Dette gjør jordingstrategier —som omhyggelig layout og enkeltpunkts jordtilkobling—avgjørende for blandsignalkort.

3. Støy i strømforsyningsnettet (PDN)

Spenningssvingninger på strømlinjene, forårsaket av hurtige koblingslastener (digitale IC-er, klokkegeneratorer), kan generere rippleffekter og støytopper som koples direkte inn på analoge strømforsyningslinjer eller analoge referanseinnganger. Hvis decoupling-kondensatorer er utilstrekkelige, plassert feil eller har dårlige ESR-egenskaper, forverres strømkvaliteten. En ustabil PDN undergraver ikke bare SI, men også ADC-oppløsningen (forårsaker jitter, tap av SNR og til og med funksjonelle feil).

4. Impedansdiskontinuiteter og forstyrrelser i returbanen

Høyhastighet digitale signaler oppfører seg som transmisjonsledninger med kontrollert impedans (typisk microstrip eller stripline), og enhver diskontinuitet – som et dårlig utformet via, koblingsstykke eller delt strøm/jordplan – vil føre til signalrefleksjoner, stående bølger og impedansmismatch . På samme måte må returbane for både analoge og digitale signaler være kort, direkte og fri for delinger eller stubber, ellers vil det oppstå refleksjoner og signaltap forekomme.

Tabell: Vanlige forstyrrelser og deres effekter

5. EMI/EMC-utfordringer

Elektromagnetisk Interferanse (EMI) og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) er omfattende utfordringer, spesielt i blandede signaloppsett. Digitalt kretsløp med rask edge virker som EMI-«utsteder», mens analoge sensorer, RF-innganger og ADC-er er sårbare «ofre». Utilstrekkelig skjerming , dårlig planlegging av planer og mangel på via-stitching kan forvandle en krets til en kringkastningsantenne, med risiko for å feile ved regulatorisk sertifisering.

6. Signal-timing og klokkefordelingsproblemer

Uregelmessig klokkefordeling eller overdreven klokkejitter kan skape tidsmessige misjusteringer (skjevhet) mellom domener, noe som fører til uforutsigbar latens, metastabilitet og dataavlesningsfeil – spesielt under klokke-domeneoverganger . ADC-er og DAC-er er spesielt sårbare for klokkestøy og jitter, noe som reduserer effektiv båndbredde og nøyaktighet.

7. Utilstrekkelig simulering og analyse før layout

Moderne PCB-kompleksitet gjør det farlig å «gjette seg frem» uten dedikert SI-simulering og strømintegritetsanalyse (PI) simuleringsverktøy (som HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) lar en designer forutse og rette opp i subtile problemer—som lengdefeilsammenstillinger, diskontinuiteter i returbaner, parasittisk kapasitans og varmepunkter—lenge før produksjon.

4. Beste praksis og viktige hensyn

Å designe en mixed-signal PCB med fremragende signalkvalitet krever en nyansert, helhetlig tilnærming. Hvert eneste valg—fra lagrekkefølge til strømforsyning—kan påvirke kortets endelige ytelse i praktisk bruk. I dette avsnittet finner du essensielle og handlingsoptimerte beste praksis-metoder som omfatter både designgrunnleggende og avanserte teknikker for analog/digital integrasjon.

1. Planlegg atskillelse av områder tidlig

Tydelig funksjonell separasjon er viktig. Tildel dedikerte områder for analog PCB og digital PCB kretser under skjematisk innfanging og layout-planlegging. Fysisk avstand reduserer støykobling, jordstøy og kryssforstyrrelse mellom domener betydelig. En tommelfingerregel: kjør aldri digitale klokke- eller høyhastighetsdatasignaler under eller nær følsomme analoge komponenter.

Nødvendige tiltak:

• Plasser ADC, sensorer og analoge forsterkere så langt unna som mulig fra oscillatorer, FPGA-er, bryterregulatorer og høyfrekvente krystallkilder.
• Orienter store digitale databussene slik at de står vinkelrett på kritiske analoge signalstier for å begrense kapasitiv kobling.

2. Optimaliser din PCB-lagoppbygging

PCB-lagoppbygging påvirker alt fra EMI-immunitet til impedanskontroll. Bruk en lagstruktur som omslutter lag med høyhastighetssignaler mellom solide, uavbrutte jordplan (og der det er nødvendig, strømplan). Dette skaper ikke bare transmisjonsledninger med kontrollert impedans, men muliggjør også korte, direkte returstier for hurtige transiente strømmer.

3. Hovedstrategier for jording

Jording er grunnsteinen for signalintegritet i blandede signaler. Det finnes generelt to skoler av tenkning:

• Enkelpunktsjorde (stjernejorde): Et dedikert knutepunkt kobler analoge og digitale returbane på en kontrollert måte – spesielt effektivt for lav- og midthøyfrekvente design.
• Kontinuerlig jordplan: For høyere hastighet/frekvens-designer, tilbyr et solidt, sammenhengende kopperplan med omhyggelig segmentering (hvis nødvendig) de korteste returbanene og lavest EMI-generering.

Beste jordingsteknikker for blandet-signal-kort:

• Unngå jordsløyfer ved å sikre én enkelt returbane for hver kretsfunksjon.
• Del ikke jordplan vilkårlig. Del kun hvis absolutt nødvendig, og koble alltid sammen i ett enkelt punkt med lav impedans under ADC-en eller hovedkonverteren.
• Bruk beskyttelsesringer eller kobberfyll rundt analoge linjer med høy impedans og kritiske analoge kretser for ytterligere skjerming.

4. Kontroller impedans og bruk ruting med differensielle par

Høyhastighets digitale ledere må legges som kontrollert impedans ledninger, tilpasset grensesnittkravene (50 Ω enkelt, 100 Ω differensiell typisk). Dette minimaliserer signalrefleksjoner og stående bølger. For differensiell signalering (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) er avstand og lengdertilpasning av ledere avgjørende.

5. Sørg for robust strømforsyning og avkobling

Din strømforsyningsnettverk (PDN) fortjener grundig teknisk behandling.

• Bruk separate regulatorer eller filtrerte domener for analoge og digitale linjer. Lavstøy LDO-er (lineære regulatorer) for analog, bryterregulatorer (SMPS) for digitale laster, filtrert etter behov.
• Plasser avkoblingskondensatorer strategisk (inkludert flere verdier for høy/lav frekvensfiltrering) så nær som mulig til IC-strømtilkoblinger. Velg kondensatorer med lav ESR og bruk en blanding av keramiske MLCC-er (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF, osv.).
• Bruk ferrittperler eller små isolasjonsinduktorer mellom analoge og digitale planer/railer.

Eksempel på avkoblingstabell

6. Prioriter EMI/EMC-styring

Bruk en flerlags tilnærming:

• Bruk skjermekapslinger og metallomslag for høyrisiko analoge og RF-deler.
• Viasying (jevnt plasserte jordvias) rundt analoge deler og langs kanten av kortet låser inn returstrømmer og reduserer EMI "lekkasje".
• Omtankefull klokkeledning klokkeledninger bør være korte, legges unna analoge områder og skjermet med tilstøtende jordledninger eller planer. Unngå å legge klokkeledninger over delt eller oppdelt jordflate for å hindre utstråling.

7. Valider med simuleringverktøy og DFM-sjekk

Ikke gjett — simuler! Bruk SI-simulering og PDN-analysator verktøy (som HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity, eller innebygde verktøy i Altium/OrCAD) for å vurdere:

• Signal øyediagrammer
• Kryssforstyrrelsesprediksjoner
• Integritet i returbanen
• Bølging i strøm og jord
• Termiske varmepunkter/styring

5. 12 trinn for en optimalisert og effektiv mixed-signal PCB-konstruksjon

Mestring signalkvalitet med en praktisk, trinnvis prosess er kjernen i design av mixed-signal PCB-er som fungerer pålitelig under reelle betingelser. Nedenfor går vi gjennom 12 beviste trinn – hvert som reflekterer bransjens beste praksis, vanlige feiltrinn og handlingsegnet teknisk kunnskap.

Trinn 1: Adskille analoge og digitale deler tidlig

1.1 Identifiser analoge og digitale domener

• Gå gjennom din koplingsplan for å kategorisere komponenter som enten rent analoge, digitale eller mixed-signal (som ADC-er, DAC-er, CODEC-er).
• Marker hver krets sin funksjon: lavstøy analog, digital logikk, høyhastighetsklokking, osv.

1.2 Strategisk plassering

• Fysisk isoler analoge og digitale områder på kretskortlayoutet.
• Rut legg analoge signaler vekk fra digitale busser og unngå å rute digitale spor under analoge IC-er.
• Bruk silkscreen- eller kobbermerking for å indikere grenser, noe som hjelper til montering og feilsøking.

Trinn 2: Velg komponenter med passende grensesnitt

Når du integrerer ulike delsystemer, forbedrer valg av riktig grensesnitt både ytelse og signalkvalitet .

Vanlige grensesnitt og beste bruksområder

Trinn 3: Forbedre ADC-funksjonalitet for nøyaktig måling

3.1 Velg riktig ADC til oppgaven

• Tenk på nøkkelspesifikasjoner for ADC oppløsning (12, 16, 24 bit), SNR, THD, maksimal avlesingshastighet, inngangsimpedans, referansespenningsstabilitet.
• Velg en arkitektur som passer applikasjonen: SAR, Sigma-Delta eller Pipeline ADC-er.

3.2 Sørg for stabile klokkesignaler og isoler støykilder

• Bruk oscillatorer med lav jitter. Klokkejitter forringer effektivt antall biter (ENOB) i hurtige ADC-er.
• Isoler fysisk klokkebanene fra støyende digitale busser.
• Avkoppl ADC-forsyningen med kondensatorer med lav ESR.

3.3 Hold referansespenninger rene

• Plasser referansekondensatorer (10–100 µF, pluss 0,1 µF keramiske) nær ADC Vref-pin.
• Beskyttelsesringer rundt referanselinjer reduserer ytterligere støykopling.

Trinn 4: Utform en effektiv PCB-lagoppbygging

En nøye utformet PCB-lagoppbygging danner ryggraden i suksess for blandete signaler.

• Plasser høyhastighetssignallag ved siden av faste referanseplan.
• Unngå å dele jord- eller strømplan under rutede signaler.
• Bevar symmetri i oppbygningen for å minimere bøyning/vridning og støtte krysstale-supprimering.

Trinn 5: Implementer effektive jordingstrategier

• Enkelpunktsforbindelse mellom analoge og digitale jord (typisk ved ADC).
• Bruk solide, brede kobberfyllinger/buer for jordledninger—minimer motstand og induktans.
• Bruke beskyttelsesledninger og kobberfyllinger rundt følsomme analoge signaler.

Trinn 6: Optimaliser strømforsyning og avkopling

6.1 Bruk dedikerte strømforsyninger

• Separate analoge og digitale forsyningsledninger. Bruk LDO-er for analog, bryting/ferrittfiltrering for digital.
• Forsyn ADC-er og andre høypresisjonskomponenter fra den reneste mulige forsyningsledningen.

6.2 Avkoplingskondensatorer for støyfiltrering

• Plasser en kombinasjon av høyfrekvente (0,01–0,1 µF) og store (1–10 µF) MLCC-kondensatorer ved hver IC.
• Minimer sløyfeareal ved å holde ledninger fra kondensator til pinne så korte som mulig.

Trinn 7: Ruter analoge og digitale ledere effektivt

• Kryss aldri analoge og digitale ledere —vedlikehold lagdelt, adskilt routing.
• Unngå å legge høyhastighetsledere over returstrømsplitter eller hull i jordplanet.
• Tilpass lederlengder for høyhastighet/differensielle par; bruk impedansberegninger for nøyaktige bredder.

Trinn 8: Implementer strategier for termisk håndtering

• Identifiser varmeprodukende komponenter (regulatorer, høystrømsdriver, prosessorer).
• Bruk varmeledende gjeringsåpninger og dedikerte kobberflater (termiske pad) for å lede varme til indre eller motsatte lag.
• Vurder tvungen luft, kjølefinner eller innebygd kobber hvis effekttettheten er høy.

Trinn 9: Synkroniser klokkefordeling og forbedre mixed-signal-konstruksjoner

• Vifteklokker med lav-skjevbufre.
• Rut klokker ved hjelp av korte, direkte spor, skjermet av jordplan.
• Unngå klokkespor over delt jord—vedlikehold sammenhengende referanseplan.

Trinn 10: Implementer skjerming for støyhåndtering

• Bruk Faradaybur , metalliske skjermbokser eller massive kobberbokser for spesielt støysensitive analoge/RF-deler.
• Pinn jordviaer tettest mulig rundt skjermede områder og langs kanten av kortet.

Trinn 11: Simuler designet av blandesignal flerlaget PCB

• Bruk SI/PI-simuleringsverktøy (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) til å analysere:
  • Impedanstkontinuitet
  • Øyediagrammer og jitter
  • Effektripple
  • Retursti og sårbarheter for krysslyd

Trinn 12: Forbered og last ned produksjonsfiler

• Gjennomgå og fullfør lagoppbygningsfigurer, nøkkelspesifikasjoner for materialer (for eksempel) koppter tykkelse , dielektriske konstanter, via-typer).
• Sørger for impedanskontroll og testpunktkall er klart angitt i Gerber-filene.
• Legg til annoterte referanser for skjerming, via-stitching og termiske vias.
• Ta med en omfattende nettliste og funksjonell testtilgang for begge domenene.

6. Forståelse av vias og deres effekt på signalintegritet

Vias —de små vertikale forbindelsene som kobler lag sammen i en mixed-signal PCB —blir ofte oversett som en årsak til dårlig signalkvalitet . Men når klokkehastigheter overstiger hundrevis av MHz eller til og med går inn i GHz-området, får via-strukturen en stadig mer dramatisk innvirkning på alt fra transmisjonslinjeimpedans til krypløp og jordbølging. For robust ytelse ved høy hastighet eller analog bruk, er det avgjørende å forstå og optimalisere via-egenskaper.

Typer vias og deres roller i blandsignal-kort

Vias forekommer i ulike formater, hver med spesifikke effekter på signalkvalitet:

Innvirkning av via-induktans og kapasitans

På en typisk høyhastighets PCB , via-induktans og kapasitans er samlet kjent som parasittiske elementer —uønskede bieffekter som forvrenger hurtige kantsignaler. Disse effektene er spesielt problematiske i kontrollert impedans (f.eks. 50 Ω enkelt, 100 Ω differensiell) miljøer.

Nøkkeleffekter:

• Parasittisk induktans årsaker:
  • Tregere kanter, reduksjon ved høy frekvens
  • Refleksjoner, signaloversving og ringe
• Parasitt kapasitans årsaker:
  • Lokale impedanstedrag, forvrengning ved raske kanter
  • Økt krypstrøm mellom gjennomganger eller til nærliggende planer

Eksempel: 10 Gbps datalinje

En gjennomgang med en 1 mm stub (uforbundet ende inne i PCB-en) kan forårsake resonans ved flere GHz, noe som sterkt forvrenger et 10 Gbps seriellesignal. Å fjerne eller forkorte denne stubben (ved å bruke bakboring eller blinde mikrogjennomganger) fører signalamplitude, øyebredde og tidsjitter tilbake innenfor spesifikasjonene.

Strategier for optimalisering av gjennomganger og signalintegritet

Å optimere bruken av gjennomganger er ett av de mest effektive tiltakene i høyhastighets- og blandesignal-PCB-er. Følgende er viktige beste praksis:

• Minimer antall gjennomganger langs alle kritiske høyhastighetsspor eller følsomme analoge spor.
• Bruk mikrovias eller korte blinde viaer i stedet for lange gjennomgående viaer i GHz+ ruter.
• Unngå via-stubber :

• • Bruk der det er mulig bakkeboring for å fjerne overflødig via-sylinder under den aktive laget.
  • Eller begrens via-overganger til «lag-ta-lag» uten foreldreløse ender.

• Optimaliser plassering av viaer :

• • Bevar symmetri i differensielle par.
  • Hold høyhastighetsviaer nær referansejordviaer (via sting) for å minimere sløyfeareal og støtte returbaner.

• Nærhet til jordplan : For digitale og blandede signaler, plasser alltid en jordvia nær hver signivia, noe som reduserer risikoen for utstrålt EMI.

Tabell: Veiledning for optimalisering av via

Hensyn til størrelsesforhold for produksjonsvennlighet og SI

Bildeformat (dybde til diameter i viaboring) påvirker både produksjonsvennlighet og signalkvalitet. Høye størrelsesforhold gjør platesetting ustabilt (risiko for tomrom eller åpne skaft) og øker viaimpedansen, spesielt i HDI-konstruksjoner.

• Anbefalt størrelsesforhold: ≤10:1 for standard gjennomgående hull; mye lavere for mikrovia
• Bruksområde: For en 1,6 mm tykk plate, tillater minimum 0,16 mm (6,3 mil) viaboring sikker platesetting

SI-eksempel: Mikrovia versus gjennomgående hull på høyhastighets-seriell

En telekomkonstruktør som integrerte et 12-lags blandet-signal backplane erstattet eldre gjennomgående hull-vias på et 6,25 Gbps SerDes-par med tilborede blinde mikrovias. Jitter i øyediagrammet sank med 31 %, krypløp (ved 5 GHz) halverte seg, og designet bestod første EMI-testrunde – noe som beviste den direkte signalintegritetsfordelen ved en moderne via-strategi.

Oppsummering av beste praksis

• Velg viatyper og strukturer basert på signalkvalitet krav, produksjonsvennlighet og lagoppbygging på kretskortet.
• Simuler (med Ansys SIwave, HyperLynx eller Altiums SI-verktøy) eventuell via-kobling, resonans- eller refleksjonsrisiko – spesielt på linjer over 500 Mbps eller kritiske analoge signaler.
• Vurder alltid signalintegritetsbehov i balanse med DFM-tilbakemelding fra din kretskortprodusent for pålitelige produksjoner.

7. Strategier for jordplan i høyhastighets- og blandet-signal PCB-er

Et korrekt utformet grunnflate er den stille vokteren av signalintegritet i alle høytytende mixed-signal PCB . Ettersom digitale hastigheter øker og analog nøyaktighet forbedres, blir jordplanet den kritiske returbanen for hvert signal, skjoldet mot EMI og «nullvolt»-referansen for alle analoge og digitale målinger. Likevel kan subtile feil i layouten av jordplanet stille og rolig undergrave selv de mest avanserte designene.

Rollen til jordplan i blandetein-kretskort (PCB)

I både analog PCB og digital PCB delsystemer, har jordplanet tre grunnleggende funksjoner:

• Signalets returbane: Sørger for lavimpedanse og direkte veier mellom kilde og last, både for høyhastighetsdigitale og følsomme analoge signaler.
• EMI-supprimering: Gir et kontinuerlig skjold som absorberer og inneholder utstrålte utslipp, og begrenser både intern kryppløk og mottak av ekstern forstyrrelse.
• Referansestabilitet: Opprettholder en konsekvent spenningsreferanse, avgjørende for ADC-integrasjon og nøyaktige analoge målinger.

Anbefalte metoder for implementering av jordplan

1. Bruk et solidt, uforstyrret jordplan

• Dediker et helt lag (eller flere lag) til uavbrutt jord.
• Unngå å kutte, slå eller segmentere dette planet under signallinjer.
  • Faktum: Enhver spalte eller brudd i jordplanet under en høyhastighetssignallinje tvinger returstrømmer til å ta omvei, noe som kraftig øker sløyfeareal, EMI og følsomhet for støy.
• Plasser høyhastighets- og høyoppløselige analoge kretser direkte over sin referansejord, slik at retursløyfer forkortes og parasittisk induktans minimeres.

2. Separer analoge og digitale jorder – med streng disiplin

• For mange blandet-signal PCB-er er det lurt å logisk (ikke alltid fysisk) skille mellom analoge og digitale jorder, og koble dem sammen i ett enkelt stjernepunkt – ofte direkte ved ADC-en eller DAC-en. Dette forhindrer støyende digitale returstrømmer i å forurene analoge referanser.
• Bruk fysiske oppdelinger kun om nødvendig ; aldri del opp uten grunn, og gi alltid en lavimpedans «bro» ved de viktigste konverterings-/grensesnittpunktene.
• Unngå lange parallelle løp av analoge og digitale jordledere som kan virke som antenner.

3. Sy sammen jordplan med vianøtter

• Bruk viasying rundt skjermede soner, kanten av kretskortet og ved siden av høyhastighetssignalvianøtter. Tett plasserte (≤2 mm) jordvianøtter gir effektiv innestenging av EMI og strammer opp returstrømsløyfen.
• For differensielle eller høyhastighetspar som krysser plan, sørg for at det er jordvianøtter på hver side av signalvianøttene for riktig styring av returstrøm.

4. Bruk flerlagede jordplan for kritiske applikasjoner

• Flersidige kretskort (f.eks. 4, 6 eller flere lag) bør alltid ha mer enn ett jordplan for lavimpedans retur og ekstra skjerming. Vurder «jordsandwich»-metoder med to jordplan som omslutter et signallag.
• Eksempel på lagoppbygging:  
  • Lag 2: Solid jord for digital
  • Lag 4: Analog jord (tilkoblet ved ADC-stjernepunkt)
  • Lag 6: Chassis- eller skjermet jord (for kabinett eller RF-applikasjoner)

Praktiske retningslinjer for jordplan – Tabell

8. Strømintegritet: Sikring av et rent strømforsyningsnettverk

Utforming for robust strømintegritet (PI) handler ikke bare om å levere spenning til enhetene dine – det handler om å sikre at hver eneste følsom analog front-end, hvert høyhastighet digitale signal og hver presisjonsomformer alltid mottar en støyfri, stabil strømforsyning under alle reelle belastningsforhold. I blandede signal-PCB-utforminger er kraftfordeling strategier like viktige for signalkvalitet som jording og impedanskontroll.

Hvorfor strømintegritet er viktig i blandede signal-PCB-er

En brusende eller svak strømforsyningsnettverk (PDN) kan undergrave selv den beste analoge eller digitale layout. Vurder:

• Rippel fra strømforsyningen kan koples direkte inn i ADC-integrasjon , noe som reduserer effektiv oppløsning og SNR, og forårsaker jitter på klokkebaserte grensesnitt.
• Transiente spenningsfall ("jorddipp") fra hurtig digital veksling skaper ground bounce eller kryssforstyrrelser, som analoge kretser kan forsterke eller demodulere.
• Utilstrækkelig decoupling-kondensatorer eller dårlig plasserte lagringskondensatorer kan tillate at spenningsledere svinger eller ringjer, noe som potensielt kan forstyrre logikk-tilstander og sensoravlesninger.

Strategier for ren strømforsyning

1. Separer analoge og digitale strømdomener

• Bruk separate analoge og digitale strømskinner der det er mulig. Forsett det analoge domenet fra lavstøy lineære regulatorer (LDO-er), mens høyeffektive brytende forsyninger (SMPS) kan betjene digitale domener.
• For kritiske sensorer eller høyoppløselige ADC-er, legg til et ekstra analogt forsyningsfilter (LC eller ferrittperle + kondensator).
• Del fysisk opp analoge og digitale strømplan eller -områder for ytterligere å isolere følsomme deler.

2. Bruk PDN-analyse og impedansemål

• Definer og simuler ditt PDN med PDN-analysator verktøy (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys, osv.) for å sikre at alle kretser mottar stabil spenning ved maksimal belastningsendring.
• Etabler et impedansemål (Z_mål) for hver skinn. For moderne logikk (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V skinner), kan dette være så lavt som 10–20 mΩ for høystrømsbaner.

3. Lagvis plassering av avkoblingskondensatorer

• Plasser en kombinasjon av MLCC-er (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) så tett som mulig på hver strømpinne—ideelt sett direkte under eller ved siden av via korteste vei.
• Bruk større bulk-kondensatorer (10 μF, 22 μF, tantal eller keramisk) fordelt nær grupper av IC-er eller ved strøminngangen.
• For høyhastighets digitale IC-er (FPGA, MCU, DDR), bruk ekstra lokal avkobling for å redusere samtidig brytingsstøy (SSO).

Eksempel: Avkoblingskondensator-tabell for mixed-signal PCB

4. Minimer impedans og resonans i strømplan

• Maksimer kopperstykkelse (≥1 oz/ft²) og areal for kritiske analoge spenninger for å oppnå lav motstand.
• Hold planformene enkle og uforstyrrede. Unngå smale stryper eller forgreninger som øker lokal impedans.
• Legg kort, brede spor fra kilden (regulator) til lasten, uten å krysse over høy-støysoner.
• Unngå å legge høyhastighetssignalspor over støyende eller delt opp strømplan så mye som mulig.

5. Ferrittperler, LC-filter og isolasjon

• Legg til ferrittperler på inngangen til analoge strømspenninger for å blokkere digital brytestøy (f.eks. MCU-kjerne-støy, klokkekretser).
• Bruk LC Pi-nettverksfilter for ekstremt lavstøy ADC-spenninger eller sensorspenningsforsyning.

Case-studie: Løsning av ADC-støy i et blandet signal-kort

En industriell IoT-sensormodul viste tilfeldige spikere i analoge målinger når trådløs transceiver initierte høyhastighetsdataoverføring. PDN-analyse avslørte at høye brytestrømmer koblede seg gjennom en felles 3,3 V-buss, noe som påvirket ADC-referansen. Etter at en ferrittkule, ekstra lokal avkobling og separering av analog VREF fra digital VCC ble lagt til, forbedret ADC SNR seg med 22 dB og støytopper forsvant helt.

9. Konstruksjon for produksjonsvenlighet og samarbeid med produsenter

Konstruksjon eller hvor grundige simuleringene dine er mixed-signal PCB simuleringer, avhenger suksessen til din krets av hvor godt den kan bygges, testes og monteres av din valgte produsent. signalkvalitet og kunsten å samarbeide med PCB-produsenter—sørger for at alle dine SI-ambisjoner omsettes sømløst til reell, pålitelig maskinvare. Design for Produktionsdyktighet (DFM) —og kunsten å samarbeide med PCB-produsenter—sørger for at alle dine SI-ambisjoner omsettes sømløst til reell, pålitelig maskinvare.

Hvorfor DFM er avgjørende for suksess med mixed-signal PCB og SI

Moderne blandede signal-PCB-er bruker ofte komponenter med fin pitch, HDI-lagoppbygging, nøyaktig impedanskontroll, tette via-arrayer og krevende strøm/jord-layout. Hvis designet ditt ikke gir bygg av høy kvalitet i stor skala – eller regelmessig krever omarbeid på grunn av ufremstillelige funksjoner – er alle dine innsatsområder for signalkvalitet kastet bort.

Nøkkelfaktorer for DFM ved blandede signal- og høyhastighetsdesign

1. Lagoppbygging og materialtilgjengelighet

• Bekreft den ønskede PCB-lagoppbyggingen med leverandøren din før layout låses – spør om oppnåelige antall lag, minimum dielektrisk tykkelse og koppervekter.
• Bruk materialer som fabrikken har på lager (FR-4, Rogers, lavtapslaminater) som oppfyller dine krav til signalintegritet, kontrollert impedans, lav kryssforstyrrelse og høy isolasjon.
• Bekreft symmetri i lagoppbygging (for å minimere vridning), spesielt for høyhastighets- og HDI-kort.

2. Via-typer, aspektforhold og boringsbegrensninger

• Del prosjektets via-krav (gjennomgående hull, mikrovia, blinde/graverte) og sørg for at designet ditt er innenfor produksjonskapasiteten.
• Hold deg til aspektforhold ≤10:1 for gjennomgående hull, eller bruk trappet/stablet mikrovia for HDI.
• Minimaliser "spesialprosessering" (f.eks. bakvårdsboring av stubber) med mindre det er absolutt nødvendig for signalintegritet—siden dette øker kostnaden og kan redusere yield.

3. Impedanskontroll—Fra simulering til virkelighet

• Kommuniser målimpedanser for alle transmisjonslinjer (50 Ω, 100 Ω diff, etc.) og referer til din lagoppbygningsgeometri i produksjonsnotatene.
• Be om testkuponger eller underveis-impedansemålinger for å verifisere at kritiske nett oppfyller spesifikasjonene.
• Bekreft produsentens kapasitet for presisjonsetsing, platering og dielektrisk kontroll.

4. Kopperstyrke, sirkulært ringområde og ledningbredde/avstand

• Angi ledningbredde/avstand og kopperstyrke basert på IPC-rettlinjer og produsentens begrensninger.
  • For følsomme analoge og strømledninger, vurder bruk av ≥1 oz/ft² kobber for robust strømforsyning og lav spenningsfall.
• Sørg for at annulære ringer rundt gjennomgående hull (for platesikkerhet) oppfyller produsentens minimumskrav.
• Bekreft minimumsavstander for loddmaske – spesielt i tette områder med blandet signal og BGA-komponenter.

5. Test- og probe-tilgang

• Inkluder testpunkter på både analoge og digitale noder; samarbeid med monteringsleverandøren din for å sikre at fiksturer kan nå alle kritiske nett uten å møte høye komponenter, kontakter eller skjermkapsler.
• Utform for innkretstesting og funksjonell testing – disse funksjonene oppdager ofte signalintegritets- eller monteringsfeil.

Effektivt samarbeid med PCB-produsenter

• Del tidlig og ofte: Lever stack-up, impedansemål, nøkkellayouter og tetthetskart til produsenten så snart som mulig.
• Be om DFM-vurdering: Inviter til tilbakemeldinger om eventuelle «røde flagg» (f.eks. ulovlige strukturer, begrensede kobberavstander, utfordringer innen varmemanagement).
• Spør om verdiskapende prosesser: Noen leverandører tilbyr interne SI-simuleringer, automatisert netzlisteverifikasjon eller avansert test/inspeksjon (som røntgen for HDI).
• Gjennomgå prototypetilbakemeldinger felles: Undersøk førsteproduksjoner sammen når det gjelder loddefeil, uventet kapasitans/induktans eller SI/EMI-hotspots – og iterer etter behov før oppskalering.

Sjekkliste for DFM & samarbeid med produsent

Reelt eksempel: Økt produksjonsutbytte med DFM

En trådløs IoT-hub med en 10-lags mixed-signal PCB feilet impedanstesting på differensielle USB-linjer under den første produksjonsløpet. Årsaken: Ikke-godkjente erstatninger for det spesifiserte lav-Dk prepreg førte til at ledningsimpedansen endret seg fra 100 Ω til 115 Ω, noe som førte til manglende overholdelse av krav. Ved å samarbeide direkte med produsenten, validere alle materialer og legge til dokumentasjon for lagoppbygging i Gerber-filene, bestod designet både SI- og EMI/EMC-testing i neste parti – og oppnådde 100 % utbytte.

10. Testing av mixed-signal PCB for pålitelighet

Grundig testing er den siste sikkerheten for mixed-signal PCB kvalitet Og signalkvalitet . Selv de mest nøyaktig utformede kretskort kan inneholde produksjonsfeil, SI-problemer eller uventede sårbarheter i det virkelige liv. Ved å bruke omfattende valideringsstrategier som tar for seg både analoge og digitale delsystemer, beskytter du produktets funksjonalitet, overholdelse av standarder og langsiktig pålitelighet.

Hvorfor omfattende testing er avgjørende

Kretskort med blandet signalbehandling kombinerer unikt analog følsomhet og høyhastighets digital switjing – noe som skaper et testmiljø der selv små forstyrrelser eller parasittiske effekter kan forårsake systemfeil. Uoppdagede problemer som ground bounce, strømtransienter eller klokkejitter kan ødelegge måneders designarbeid og svekke robustheten i felt.

Viktige typer tester for kretskort med blandet signalbehandling

1. Funksjonstest

• Formål: Bekrefter at både analog og digital kretsteknikk oppfører seg i henhold til konstruksjonsspesifikasjonene.
• Metoder:  
  • Injiser kjente analoge signaler og sjekk ADC/DAC-overføringsfunksjoner for linearitet, SNR og THD.
  • Bruk logikanalysatorer og protokolltestere for å verifisere digitale busser (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) når det gjelder riktig tidsstyring, feilfri overføring og etterlevelse av protokoll.
  • Bruk loopback-mønstre og selvkontrollerende fastvare-rutiner for oppstart på kortsiden.

2. Miljøpåvirkningstest

• Formål: Avdekker skjulte defekter eller SI-sårbarheter under ekstreme temperaturer, fuktighet og vibrasjoner.
• Metoder:  
  • Temperatursyklus (for eksempel –40 °C til +85 °C), med og uten strøm.
  • Fukttetthetstester, spesielt viktige for analog front/end eller høyhastighets-I/O som er utsatt for miljøet.
  • Simulering av vibrasjon og støt – sporing av signalbrudd, ground bounce eller SI-problemer relatert til kontakter.

3. EMI/EMC-samsvarstest

• Formål: Sørger for at utslipp og mottakelighet til kretskortet er innenfor regulatoriske grenser (FCC, CISPR, bilindustri, medisinsk, etc.).
• Metoder:  
  • Utstrålte utslipp: Skann kretskortet i en ekoløs kammer for å måle EMI fra støyende klokker, hurtige datalinjer og strømområder.
  • Ledningsbundne forstyrrelser: Vurder om støy injiseres i kretsens strømlinjer.
  • Immunitetstesting: Påfør kretsen RF-energi eller ESD-pulser og bekreft stabil analog/digital drift.

Vanlig utstyr for testing av blandesignalkretskort

Beste praksis for testarbeidsflyt

• Planlegg testpunkter i layout: Inkluder både analog og digital tilgang—sørg for uforstyrrede områder for oscilloskop, logikkprobe eller RF-måling.
• Kjør SI/PI-simuleringer før produksjon: Valider kritiske nett i det virtuelle prototypen før du går over til maskinvare.
• Prototyp, feilsøk og dokumenter: Analyser tidlige byggeversjoner for avvik i SI (øyelukking, jitter, støy) og loggfør rotårsak/rettende tiltak.
• Utfør grundig samsvarstesting: Selv produkter uten rangering har nytte av EMI/EMC-testing, som ofte avslører uventede SI-problemer forårsaket av feil i layout, jording eller skjerming.
• Overvåk under første distribusjon: Tilbakemeldinger fra virkeligheten er uvurderlig for kontinuerlig SI-validering, spesielt når bruken innebærer skiftende miljøer.