Как оптимизированный дизайн многослойной печатной платы может улучшить целостность сигнала?

1. Введение: Важность оптимизированной целостности сигнала в дизайне многослойных смешанных печатных плат

В условиях стремительно развивающегося рынка электроники сегодняшний спрос на компактные и высокопроизводительные устройства привел к интеграции аналоговых и цифровых схем на одной смешанной печатной плате . Эти платы используются в различных устройствах — от умных промышленных контроллеров до автомобильных систем мультимедиа, и в центре их работы находится один ключевой аспект: целостность сигнала .

Целостность сигнала (SI) относится к качеству и надежности электрических сигналов при их прохождении по печатной плате. Когда сигнал сохраняет свою требуемую форму, напряжение и временные параметры на протяжении всего пути, система работает так, как задумано. Однако при наличии высокоскоростных цифровых участков печатной платы и чувствительных аналоговых участков печатной платы доменов, сосуществующих на смешанной сигнальной разводке, угрозы для качества сигнала множатся. Высокочастотные переходы, коммутационные шумы и паразитные эффекты могут ухудшить сигналы — что приводит к кроссталинг , переходные колебания земли , электромагнитным помехам ( ЭМИ ) проблемам с нормативными требованиями и болезненным задержкам при выводе на рынок.

Почему целостность сигнала так важна в печатных платах со смешанными сигналами?

Платы со смешанными сигналами сталкиваются с уникальными проблемами ЦС, поскольку цифровые схемы создают быстрые фронты, перепады напряжения и импульсные токи, которые легко могут загрязнить аналоговые пути. Случайный выброс на опорном опорная плоскость или поврежденный тактовый сигнал могут означать неточные аналоговые показания, сбои Интеграции АЦП или поврежденную передачу данных — всё это особенно серьезно в приложениях, критичных к безопасности, или в приложениях с высоким разрешением.

Краткая таблица: почему ЦС важна в печатных платах со смешанными сигналами

О чём это руководство

В этом подробном руководстве вы узнаете:

• Основы смешанной печатной плате инженерное дело
• Практические рекомендации по управлению SI (с ключевыми словами, такими как контролируемого импеданса , трассировка дифференциальной пары , и стратегии заземления )
• 12-шаговый процесс для максимизации производительности и технологичности
• Расширенное освещение вопросов переходных отверстий, структуры слоёв, разделительных конденсаторов и многое другое
• Советы по устранению неполадок и примеры из практики
• Последние инструменты для Моделирования целостности сигналов и Анализ PDN

2. Что такое проектирование смешанных печатных плат?

A смешанной печатной плате — это печатная плата, объединяющая аналоговые и цифровые компоненты на единой подложке. Такая интеграция позволяет современным устройствам связывать физический — аналоговый — мир с цифровой средой, обеспечивая функционирование всего: от устройств интернета вещей с множеством датчиков до передовых электронных блоков управления в автомобилях.

Определение областей смешанных, аналоговых и цифровых печатных плат

• Аналоговые печатные платы обрабатывают непрерывные сигналы — такие как аудио, температура или уровни напряжения. Эти сигналы крайне чувствительны к шумам, перекрестным помехам и малейшим колебаниям напряжения.
• Цифровые печатные платы обрабатывают дискретные логические сигналы (0 и 1). Хотя они могут показаться устойчивыми, цифровые схемы — особенно высокоскоростные — являются основными источниками электромагнитных помех, скачков потенциала земли и одновременных переключений выходов (SSO).
• Проектирование смешанных сигнальных печатных плат подразумевает компоновку, в которой эти два мира должны сосуществовать, что требует тщательного внимания к целостность сигнала , заземлению и вопросам целостности питания.

Типичные области применения смешанных сигнальных печатных плат

Смешанные сигнальные печатные платы являются основой многих критически важных систем, включая:

• Промышленная автоматизация: Управление в реальном времени с интерфейсами высокоточных датчиков.
• Автомобильные системы: Мультимедийные системы, управление батареей, системы ADAS и управление двигателем.
• Потребительская электроника: Смартфоны, носимые устройства, аудиоустройства и камеры.
• Медицинские устройства: Мониторы пациентов, системы визуализации и диагностическое оборудование.
• Связь: Маршрутизаторы, трансиверы, программно-определяемые радиосистемы (SDR) и высокоскоростное сетевое оборудование.

Таблица: Примеры случаев использования аналогово-цифровых печатных плат

Почему проектирование смешанных сигналов на печатной плате является сложным?

Основная задача заключается в управлении целостность сигнала , потому что:

• Цифровые схемы создают быстрые перепады напряжения (высокий dV/dt, высокий di/dt), которые индуцируют шум на общих заземлениях и силовых сетях.
• Аналоговые схемы чувствительны к слабым уровням шума, даже на уровне микровольт, что может вызывать SNR ухудшение отношения сигнал-шум (signal-to-noise ratio) и ТГД общие гармонические искажения (total harmonic distortion) в АЦП.
• Тактовые сигналы (например, подаваемые на Интеграции АЦП ) и линии данных пересекают несколько областей, что приводит к возникновению кроссталинг , разрывы возвратного пути , и ошибки синхронизации.
• Плохо реализованные стратегии заземления и Слои печатной платы могут усиливать эти риски, особенно на плотных многослойных платах.

Понимание ключевых блоков смешанных сигналов

Успешная печатная плата со смешанными сигналами обеспечивает:

• Изоляция: Защиту аналоговых сигналов от цифровых помех за счёт трассировки, разделения земли или защитных колец.
• Надёжное преобразование: Обеспечение точной и стабильной работы АЦП (например, 12-битных или 16-битных) и ЦАП с минимальным джиттером за счёт использования чистых распределение тактового сигнала сети и оптимизированное развязывание.
• Контролируемое волновое сопротивление: Обеспечение одиночных линий с сопротивлением 50 Ом или дифференциальных линий с сопротивлением 100 Ом для трассировки высокоскоростных данных с использованием микрополосковых, экранированных полосковых или копланарных волноводных структур.
• Эффективная сеть подачи питания (PDN): Подавление пульсаций и поддержание стабильного напряжения за счёт правильного выбора развязывающих конденсаторов и конструкции плоскостей питания.
• Экранирование и управление ЭМП: Использование соединительных переходных отверстий (via stitching), заполнения медью или экранов Фарадея в ключевых чувствительных областях.

3. Ключевые проблемы целостности сигналов при улучшении печатных плат со смешанными сигналами

Разработка надежной смешанной печатной плате является деликатным балансировочным актом: он требует тщательной координации аналоговой чувствительности и интенсивной активности цифровой логики на общей подложке. По мере роста скоростей передачи данных и увеличения плотности плат обеспечение надежной целостность сигнала (Целостность сигнала) становится не просто сложной задачей, а необходимостью. Ниже мы рассмотрим основные проблемы целостности сигналов, с которыми должен справиться каждый разработчик печатных плат со смешанными сигналами, чтобы обеспечить надежные продукты с высокой производительностью.

1. Перекрестные наводки и паразитное влияние шумов

Каждый раз, когда аналоговые и цифровые трассы проходят близко друг к другу, особенно на длинных параллельных участках, быстро изменяющиеся цифровые сигналы вносят шум в чувствительные аналоговые линии через взаимную ёмкость и индуктивность — это явление известно как кроссталинг . В высокоскоростных конструкциях это может привести к значительным ошибкам в аналоговых измерениях или искажению данных. Плохое трассировка дифференциальной пары и несогласованные импедансы усугубляют эту проблему.

2. Всплески потенциала земли и контуры заземления

Переходные колебания земли возникает, когда высокоскоростные цифровые выходы переключаются одновременно, вызывая резкие сдвиги напряжения земли. Эти сдвиги (одновременные переключения выходов, или SSO) особенно проблематичны в случаях, когда аналоговые и цифровые секции разделяют полностью или частично одну и ту же земляную плоскость. Это приводит не только к ошибкам цифровой синхронизации, но и нарушает опорные напряжения для аналого-цифровых преобразователей, операционных усилителей и чувствительных датчиков.

Петли заземления возникают при наличии нескольких путей возврата по цепи земли, образуя нежелательные "антенны", которые могут вносить гул, вызывать колебания или принимать внешние электромагнитные помехи (EMI). Это делает стратегии заземления —такие как тщательная разводка платы и соединение в одной точке заземления—критически важными для смешанных сигнальных плат.

3. Помехи в сети распределения питания (PDN)

Колебания на силовых шинах, вызванные быстрым переключением нагрузок (цифровые ИС, драйверы тактовых сигналов), могут создавать пульсации и импульсы шума, которые прямо связаны с аналоговыми линиями питания или аналоговыми опорными входами. Если развязывающие конденсаторы недостаточны, неправильно размещены или имеют плохие характеристики эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), качество питания ухудшается. Нестабильное PDN не только подрывает целостность сигнала (SI), но и ставит под угрозу разрешение АЦП (вызывая джиттер, потерю отношения сигнал/шум и даже функциональные ошибки).

4. Разрывы импеданса и нарушения путей возврата тока

Сигналы высокой скорости ведут себя как линии передачи с контролируемым импедансом (обычно микрополосковые или экранированные), и любые разрывы — такие как плохо спроектированное переходное отверстие, соединитель или разделённая плоскость питания/земли — вызывают отражения сигнала, стоячие волны и несоответствие импеданса . Аналогично, пути возврата как для аналоговых, так и для цифровых сигналов должны быть короткими, прямыми и свободными от разрывов или шлейфов, в противном случае возникают отражения и потеря сигнала - Это произойдет.

Таблица: Распространённые нарушения и их последствия

5. Проблемы ЭМС/ЭМИ

Электромагнитные Помехи (ЭМИ) и электромагнитная совместимость (ЭМС) являются общими проблемами, особенно в смесях аналоговых и цифровых схем. Цифровые цепи с быстрыми фронтами сигнала выступают в роли источников ЭМП, тогда как аналоговые датчики, ВЧ-входы и АЦП являются уязвимыми «жертвами». Недостаточное защитный щит , плохая разводка плоскостей и отсутствие соединительных переходов могут превратить плату в передающую антенну, что создаёт риск невыполнения требований при сертификации.

6. Проблемы синхронизации сигналов и распределения тактовых импульсов

Нестабильный распределение тактового сигнала или чрезмерный джиттер тактового сигнала может вызывать рассинхронизацию (скошенность) между различными областями, приводя к непредсказуемой задержке, метастабильности и ошибкам стробирования данных — особенно при переходе между тактовыми доменами . АЦП и ЦАП особенно чувствительны к шумам и джиттеру тактового сигнала, что ухудшает эффективную полосу пропускания и точность.

7. Недостаточная симуляция и анализ до разводки

Современная сложность печатных плат делает рискованным «импровизацию» без специализированного Моделирования целостности сигналов и анализа целостности питания (PI) инструменты моделирования (такие как HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) позволяют разработчику заранее выявить и устранить незначительные проблемы — такие как несоответствие длин, разрывы возвратных путей, паразитная ёмкость и тепловые пятна — задолго до начала производства.

4. Рекомендованные методы и ключевые аспекты

Проектирование смешанной печатной плате с выдающимися целостность сигнала требует тонкого, комплексного подхода. Каждое решение — от порядка слоёв до распределения питания — может повлиять на конечную производительность платы в реальных условиях эксплуатации. В этом разделе вы узнаете о важных практических методах, которые охватывают как основы проектирования, так и передовые техники интеграции аналоговых и цифровых компонентов.

1. Заранее планируйте разделение платы

Чёткое функциональное разделение имеет решающее значение. Выделите отдельные зоны для аналоговых участков печатной платы и цифровых участков печатной платы цепи во время создания схемы и трассировки размещения компонентов. Физическое расстояние значительно уменьшает наводки шумов, «дребезг» земли и перекрестные помехи между доменами. Эмпирическое правило: никогда не прокладывайте цифровые тактовые сигналы или высокоскоростные данные под чувствительными аналоговыми компонентами и в их близости.

Ключевые действия:

• Размещайте АЦП, датчики и аналоговые усилители на максимально возможном удалении от генераторов, ПЛИС, импульсных стабилизаторов и источников высокочастотных кварцевых сигналов.
• Ориентируйте основные цифровые шины данных перпендикулярно критическим аналоговым сигнальным путям, чтобы ограничить ёмкостную связь.

2. Оптимизация структуры многослойной печатной платы

Слои печатной платы влияет на всё — от помехоустойчивости до контроля импеданса. Используйте слоистую структуру, в которой слои высокоскоростных сигналов находятся между сплошными, неразрывными слоями земли (и при необходимости питания). Это не только создаёт линии передачи с контролируемым импедансом, но и обеспечивает короткие, прямые пути возврата для быстрых переходных токов.

3. Основные стратегии заземления

Заземление является основой целостности сигналов в смесях аналоговых и цифровых цепей. Существует два основных подхода:

• Одноточечное заземление (звезда): Выделенный узел соединяет аналоговые и цифровые цепи возврата управляемым образом — особенно эффективен для низкочастотных и среднечастотных решений.
• Непрерывная заземляющая плоскость: Для конструкций с более высокой скоростью/частотой сплошная непрерывная медная плоскость с тщательным разделением (при необходимости) обеспечивает кратчайшие пути возврата и минимальное излучение ЭМП.

Наилучшие методы заземления для печатных плат со смешанными сигналами:

• Избегайте контуров заземления обеспечивая единственный путь возврата для каждого функционального элемента схемы.
• Не разделяйте плоскости заземления без необходимости. Разделяйте только при крайней необходимости, и всегда соединяйте их в одной точке с низким импедансом под АЦП или основным преобразователем.
• Используйте защитные кольца или заливки меди вокруг аналоговых линий с высоким импедансом и критически важных аналоговых цепей для дополнительной экранировки.

4. Контролируйте импеданс и используйте трассировку дифференциальных пар

Высокоскоростные цифровые трассы должны прокладываться как контролируемого импеданса линии, согласованные с требованиями интерфейса (обычно 50 Ом по одиночной линии, 100 Ом дифференциальные). Это минимизирует отражения сигнала и стоячие волны. Для дифференциальной передачи сигнала (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) важны расстояние между трассами и выравнивание их длины.

5. Обеспечьте надежное распределение питания и развязку

ТВОЙ сети распределения питания (PDN) требует серьезного инженерного подхода.

• Используйте отдельные регуляторы или отфильтрованные домены для аналоговых и цифровых шин. Малошумящие LDO (линейные стабилизаторы) для аналоговых цепей, импульсные регуляторы (SMPS) — для цифровых нагрузок, при необходимости с фильтрацией.
• Размещайте конденсаторы развязки стратегически (включая несколько номиналов для фильтрации на высоких/низких частотах) как можно ближе к выводам питания ИС. Выбирайте конденсаторы с низким ЭПС и используйте комбинацию керамических многослойных конденсаторов (MLCC) (0,01 мкФ, 0,1 мкФ, 1 мкФ и т.д.).
• Применяйте ферритовые вставки или небольшие изолирующие дроссели между аналоговыми и цифровыми плоскостями/шинами.

Пример таблицы развязки

6. Обеспечьте приоритетность управления ЭМС/ЭМП

Примените многоуровневый подход:

• Используйте экранирующие колпачки и металлические корпуса для аналоговых и ВЧ-секций с высоким уровнем риска.
• Путем установки перемычек (переходные отверстия заземления, расположенные с регулярным шагом) вокруг аналоговых секций и вдоль краёв платы фиксируют токи возврата, уменьшая «утечку» ЭМП.
• Тщательная трассировка тактовых сигналов : Тактовые линии должны быть короткими, проложены вдали от аналоговых участков и экранированы соседними следами или плоскостями заземления. Избегайте прокладки тактовых сигналов через разрезанные или разделённые области заземления во избежание излучения.

7. Проверка с помощью инструментов моделирования и проверок DFM

Не угадывайте — используйте моделирование! Применяйте Моделирования целостности сигналов и Анализатор PDN инструменты (такие как HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity или встроенные инструменты в Altium/OrCAD) для оценки:

• Глазковые диаграммы сигнала
• Прогнозирование перекрёстных наводок
• Целостность обратного пути
• Пульсации питания и земли
• Тепловые пятна/управление температурой

5. 12 шагов к оптимизированному и эффективному проектированию смешанной печатной платы

Овладение целостность сигнала с практическим пошаговым процессом лежит в основе проектирования печатных плат со смешанными сигналами которые надежно работают в реальных условиях. Ниже мы рассмотрим 12 проверенных шагов — каждый из которых отражает передовые методы отрасли, типичные ошибки и полезные инженерные рекомендации.

Шаг 1: Раннее разделение аналоговых и цифровых секций

1.1 Определение аналоговых и цифровых областей

• Проанализируйте вашу схему, чтобы классифицировать компоненты как чисто аналоговые, цифровые или смешанные (например, АЦП, ЦАП, кодеки).
• Укажите функцию каждой цепи: аналоговая с низким уровнем шумов, цифровая логика, высокоскоростное тактирование и т.д.

1.2 Стратегическое размещение

• Физически разделите аналоговые и цифровые области на разводке печатной платы.
• Прокладывайте аналоговые сигналы вдали от цифровых шин и избегайте прокладки цифровых трасс под аналоговыми микросхемами.
• Используйте шелкографию или медные метки для обозначения границ — это упрощает сборку и поиск неисправностей.

Шаг 2: Выбор компонентов с подходящими интерфейсами

При интеграции различных подсистем правильный выбор протокола интерфейса улучшает как производительность и целостность сигнала .

Распространённые интерфейсы и типичные случаи применения

Шаг 3: Повышение функциональности АЦП для точного измерения

3.1 Выбор подходящего АЦП для задачи

• Учитывать ключевые характеристики АЦП : Разрешение (12, 16, 24 бита), отношение сигнал/шум, коэффициент нелинейных искажений, максимальная частота дискретизации, входное сопротивление, стабильность опорного напряжения.
• Выберите архитектуру, подходящую для конкретного применения: SAR, Sigma-Delta или Pipeline ADC.

3.2 Обеспечьте стабильные тактовые сигналы и изолируйте источники шума

• Используйте малошумящие генераторы. Джиттер тактового сигнала ухудшает эффективное количество битов (ENOB) в высокоскоростных АЦП.
• Физически разделяйте трассы тактовых сигналов и шумные цифровые шины.
• Декуплируйте питание АЦП с помощью конденсаторов с низким ЭПС.

3.3 Поддерживайте чистоту опорного напряжения

• Размещайте конденсаторы опорного напряжения (10–100 мкФ, плюс керамические 0,1 мкФ) как можно ближе к выводу Vref АЦП.
• Защитные кольца вокруг линий опорного напряжения дополнительно снижают наводки шума.

Шаг 4: Разработайте эффективную многослойную структуру печатной платы

Тщательно продуманная Слои печатной платы составляет основу успеха смешанных сигналов.

• Размещайте слои высокоскоростных сигналов рядом с цельными опорными плоскостями.
• Избегайте разделения заземляющих или питающих плоскостей под проложенными сигналами.
• Соблюдайте симметрию в конструкции многослойной платы, чтобы минимизировать прогиб/деформацию и обеспечить подавление перекрёстных наводок.

Шаг 5: Реализация эффективных стратегий заземления

• Одноточечное соединение между аналоговой и цифровой землей (обычно в точке АЦП).
• Используйте сплошные широкие медные заливки/дуги для заземления — минимизируйте сопротивление и индуктивность.
• Нанимать защитные трассы и медные заливки вокруг чувствительных аналоговых сигналов.

Шаг 6: Оптимизация распределения питания и развязки

6.1 Использование выделенных источников питания

• Разделите аналоговые и цифровые шины. Используйте ЛИП для аналоговой части, импульсные стабилизаторы/ферритовые фильтры — для цифровой.
• Поставляйте АЦП и другие высокоточные компоненты с наименее зашумленной шины питания.

6.2 Разделительные конденсаторы для фильтрации шумов

• Устанавливайте комбинацию высокочастотных (0,01–0,1 мкФ) и объемных (1–10 мкФ) керамических конденсаторов MLCC у каждого ИС.
• Сведите к минимуму площадь контура, делая проводники от конденсатора до вывода как можно короче.

Шаг 7: Эффективная прокладка аналоговых и цифровых трасс

• Никогда не пересекайте аналоговые и цифровые трассы —соблюдайте многослойную, раздельную трассировку.
• Избегайте прокладки высокоскоростных трасс через области разделения возвратного тока или разрывы в заземлении.
• Совместите длины трасс для высокоскоростных/дифференциальных пар; используйте калькуляторы импеданса для точного определения ширины.

Шаг 8: Реализация стратегий теплового управления

• Определите компоненты, выделяющие тепло (стабилизаторы, драйверы высокого тока, процессоры).
• Применение термические сквозные отверстия и специальные медные заливки (термоплощадки) для отвода тепла на внутренние или противоположные слои.
• Рассмотрите использование принудительной вентиляции, радиаторов или даже встроенной меди, если плотность мощности высока.

Шаг 9: Синхронизация распределения тактовых сигналов и улучшение смешанных схем

• Разветвляйте тактовые сигналы с помощью буферов с низкой задержкой.
• Прокладывайте тактовые сигналы по коротким, прямым трассам, экранированным заземлёнными плоскостями.
• Избегайте трассировки сигналов часов через разрозненные земляные плоскости — обеспечивайте непрерывные опорные плоскости.

Шаг 10: Организация экранирования для подавления помех

• Применение Экранирующие клетки Фарадея , металлические экранирующие корпуса или сплошные медные коробки для особенно чувствительных аналоговых/ВЧ участков.
• Размещайте соединительные переходные отверстия заземления плотно вокруг экранированных областей и вдоль краев платы.

Шаг 11: Моделирование конструкции многослойной печатной платы со смешанными сигналами

• Используйте инструменты моделирования целостности сигналов и питания (SI/PI) (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) для анализа:
  • Непрерывность импеданса
  • Глазковые диаграммы и джиттер
  • Пульсация питания
  • Пути возврата и уязвимость к перекрестным наводкам

Шаг 12: Подготовка и загрузка производственных файлов

• Проверьте и окончательно согласуйте чертежи многослойной структуры, основные технические характеристики материалов (например, толщина меди , диэлектрические постоянные, типы переходных отверстий).
• Обеспечить контроль импеданса и обозначения контрольных точек четко указаны в Gerber-файлах.
• Добавьте аннотированные ссылки для экранирования, соединительных переходов и тепловых переходов.
• Включите полный список соединений и доступ к функциональному тестированию для обоих доменов.

6. Понимание переходных отверстий и их влияние на целостность сигнала

Переходные отверстия —маленькие вертикальные соединения, которые связывают слои в смешанной печатной плате —нередко игнорируются как причина плохой целостность сигнала . Однако по мере увеличения тактовых частот до сотен МГц и даже в диапазон ГГц, конструкция переходных отверстий оказывает всё более значительное влияние на такие параметры, как импеданс линии передачи, перекрестные наводки и выбросы земли. Для надежной работы на высоких скоростях или в аналоговых схемах понимание и оптимизация характеристик переходных отверстий является обязательным условием.

Типы переходных отверстий и их роль в платах со смешанными сигналами

Переходные отверстия бывают разных форматов, каждый из которых оказывает определенное влияние на качество сигнала:

Влияние индуктивности и емкости переходного отверстия

На типичном плата высокоскоростного ПК , индуктивность переходного отверстия и пропускная способность в совокупности известны как паразитные элементы — непреднамеренные побочные эффекты, искажающие сигналы с быстрыми фронтами. Эти эффекты особенно проблематичны в контролируемого импеданса (например, 50 Ом одиночный, 100 Ом дифференциальный) средах.

Основные эффекты:

• Паразитная индуктивность причины:
  • Замедленные фронты, подавление высоких частот
  • Отражения, выбросы сигнала и звон
• Паразитарная емкость причины:
  • Локальные провалы импеданса, искажения на быстрых фронтах
  • Увеличение перекрестных наводок между переходными отверстиями или с соседними плоскостями

Пример: линия передачи данных 10 Гбит/с

Переходное отверстие (via) с хвостовиком длиной 1 мм (не подключённый участок внутри печатной платы) может вызвать резонанс на частоте в несколько ГГц, что сильно исказит последовательный сигнал 10 Гбит/с. Устранение или укорачивание этого хвостовика (с помощью обратного сверления или использования скрытых микропереходных отверстий) вернёт амплитуду сигнала, ширину глазковой диаграммы и джиттер по времени в пределы допустимых значений.

Методы оптимизации переходных отверстий и обеспечения целостности сигнала

Оптимизация использования переходных отверстий — одно из самых эффективных решений при проектировании высокоскоростных и смешанных печатных плат. Ниже приведены основные рекомендации:

• Сводите к минимуму количество переходных отверстий на всех критически важных высокоскоростных или чувствительных аналоговых трассах.
• Используйте микропереходные отверстия или короткие скрытые переходы вместо длинных сквозных отверстий на трассах с частотой выше ГГц.
• Избегайте хвостовиков переходных отверстий :

• • По возможности используйте обратное сверление для удаления излишков металлизированного отверстия ниже активного слоя.
  • Или ограничение переходами «слой-к-слою» без свисающих концов.

• Оптимизация за счёт размещения :

• • Соблюдение симметрии в дифференциальных парах.
  • Размещайте высокоскоростные монтажные отверстия как можно ближе к опорным заземлённым отверстиям (стыковые отверстия), чтобы минимизировать площадь контура и обеспечить пути возврата тока.

• Близость к заземляющим плоскостям : Для цифровых и смешанных сигналов всегда размещайте заземляющее отверстие рядом с каждым сигнальным отверстием, снижая риск излучаемых ЭМП.

Таблица: Руководство по оптимизации монтажных отверстий

Соотношение сторон с учетом технологичности и целостности сигнала

Соотношение сторон (глубина сквозного отверстия к диаметру) влияет как на технологичность, так и на качество сигнала. Большое соотношение сторон делает металлизацию ненадежной (риск пустот или разрывов в стенках) и повышает импеданс переходного отверстия, особенно в конструкциях HDI.

• Рекомендуемое соотношение сторон: ≤10:1 для стандартных сквозных отверстий; значительно меньше для микропереходных отверстий
• Сценарий использования: Для печатной платы толщиной 1,6 мм минимальный диаметр сверления переходного отверстия составляет 0,16 мм (6,3 мил), что обеспечивает безопасную металлизацию

Пример из практики: микропереходное отверстие против сквозного отверстия в высокоскоростном последовательном соединении

Конструктор телекоммуникационного оборудования при интеграции 12-слойной комбинированной платы заменил устаревшие сквозные переходные отверстия на паре SerDes с частотой 6,25 Гбит/с на слепые микропереходные отверстия с обратным сверлением. Дрожание глазковой диаграммы снизилось на 31 %, перекрестные наводки (на частоте 5 ГГц) уменьшились вдвое, и конструкция успешно прошла первоначальное тестирование на ЭМС — что подтверждает прямую пользу современной стратегии переходных отверстий для целостности сигнала.

Краткие рекомендации

• Выбирайте тип и структуру переходных отверстий исходя из целостность сигнала требований, технологичности и конструкции многослойной платы.
• Моделируйте (с помощью Ansys SIwave, HyperLynx или инструментов SI от Altium) любые риски связанные с взаимным влиянием переходных отверстий, резонансом или отражениями — особенно в линиях со скоростью выше 500 Мбит/с или критичных аналоговых сигналах.
• Всегда учитывайте требования по целостности сигналов вместе с рекомендациями DFM от производителя печатной платы для надёжного производства.

7. Стратегии заземления для высокоскоростных и смешанных печатных плат

Правильно спроектированная опорная плоскость является незаметным гарантом целостности сигналов в каждой высокопроизводительной смешанной печатной плате . По мере увеличения скорости цифровых сигналов и повышения точности аналоговых компонентов, система заземления становится критическим путём возврата для каждого сигнала, защитой от ЭМИ и опорным уровнем «нулевого напряжения» для всех аналоговых и цифровых измерений. Однако незначительные ошибки в разводке заземляющего слоя могут незаметно подорвать даже самые передовые проекты.

Роль заземляющих плоскостей в печатных платах со смешанными сигналами

Как в аналоговых участков печатной платы и цифровых участков печатной платы в таких подсистемах заземляющая плоскость выполняет три основные функции:

• Путь возврата сигнала: Обеспечивает путь с низким импедансом и прямое соединение между источником и нагрузкой как для высокоскоростных цифровых, так и для чувствительных аналоговых сигналов.
• Подавление ЭМП: Обеспечивает непрерывный экран, который поглощает и удерживает излучаемые помехи, ограничивая как внутренние перекрестные наводки, так и восприимчивость к внешним помехам.
• Стабильность опорного напряжения: Поддерживает стабильное опорное напряжение, что критически важно для интеграции АЦП и точных аналоговых измерений.

Рекомендованные методы реализации заземляющей плоскости

1. Используйте сплошную, неразрывную заземляющую плоскость

• Выделите целый слой (или несколько слоев) исключительно для непрерывного заземления.
• Избегайте прорезей, надрезов или сегментирования этой плоскости под сигнальными трассами.
  • Факт: Любая прорезь или разрыв в заземляющей плоскости под высокоскоростной трассой заставляет токи возврата идти по обходным путям, значительно увеличивая площадь контура, ЭМП и восприимчивость к шумам.
• Размещайте высокоскоростные и высокоточные аналоговые схемы непосредственно над их опорной заземляющей плоскостью, сокращая «петли» возвратных токов и минимизируя паразитную индуктивность.

2. Разделяйте аналоговые и цифровые цепи заземления — с соблюдением дисциплины

• Для многих печатных плат со смешанными сигналами разумно логически (не всегда физически) разделять аналоговые и цифровые заземления, соединяя их в одной точке звездной точки —часто непосредственно на АЦП или ЦАП. Это предотвращает заражение аналоговых опорных напряжений шумами от цифровых цепей заземления.
• Используйте физическое разделение только при необходимости ; никогда не разделяйте без причины и всегда обеспечивайте низкоомный «мост» в ключевых точках преобразования/интерфейса.
• Избегайте длинных параллельных участков трассировок аналогового и цифрового заземления, которые могут работать как антенны.

3. Соединяйте плоскости заземления с помощью переходных отверстий

• Применение путем установки перемычек вокруг экранированных зон, краев платы и рядом со сквозными отверстиями высокоскоростных сигналов. Плотно расположенные (≤2 мм) заземляющие переходные отверстия обеспечивают эффективное подавление ЭМП и сокращают путь возвратного сигнала.
• Для дифференциальных пар или высокоскоростных линий, пересекающих плоскости, убедитесь, что заземляющие переходные отверстия размещены по обе стороны от сигнальных отверстий для правильного направления возвратного тока.

4. Использование многослойных заземляющих плоскостей для критически важных применений

• Многослойные печатные платы (например, 4, 6 или более слоев) всегда должны иметь более одной заземляющей плоскости для обеспечения низкоимпедансного возвратного пути и дополнительной экранировки. Рассмотрите подход «заземление-сэндвич», при котором два заземляющих слоя окружают слой сигналов.
• Пример структуры слоев:  
  • Слой 2: Сплошная земля для цифровых цепей
  • Слой 4: Аналоговая земля (соединен в звездной точке АЦП)
  • Слой 6: Корпусная или экранная земля (для корпуса или ВЧ-приложений)

Практические рекомендации по проектированию заземляющих плоскостей — Таблица

8. Целостность питания: Обеспечение чистой сети доставки питания

Проектирование для надежности целостность питания (PI) — это не просто подача напряжения на ваши устройства; это обеспечение того, что каждый чувствительный аналоговый вход, каждый высокоскоростной цифровой сигнал и каждый прецизионный преобразователь всегда получают стабильное, свободное от шумов питание при любых реальных условиях нагрузки. В проектах печатных плат со смешанными сигналами, распределение энергии стратегии целостность сигнала столь же критичны, как заземление и контроль импеданса.

Почему важна целостность питания в платах со смешанными сигналами

Шумная или нестабильная сеть распределения питания (PDN) может свести на нет даже самый продуманный аналоговый или цифровой монтаж. Учтите следующее:

• Пульсации источника питания могут непосредственно проникать в Интеграции АЦП , снижая эффективное разрешение и отношение сигнал/шум, а также вызывая джиттер на тактовых интерфейсах.
• Переходные падения («просадки земли») из-за быстрого цифрового переключения создают переходные колебания земли или перекрёстные помехи, которые аналоговые схемы могут усиливать или демодулировать.
• Недостаток развязывающие конденсаторы или неправильно размещённые объёмные конденсаторы могут привести к колебаниям или резонансу напряжения в шинах питания, что потенциально может нарушить логические состояния и показания датчиков.

Методы обеспечения чистого питания

1. Разделение аналоговых и цифровых доменов питания

• По возможности используйте отдельные аналоговые и цифровые шины питания. Питайте аналоговый домен от малошумящих линейных стабилизаторов (LDO), в то время как для цифровых доменов можно использовать высокоэффективные импульсные источники питания (SMPS).
• Для критически важных датчиков или высокоточных АЦП добавьте дополнительный фильтр аналогового питания (LC-фильтр или ферритовое кольцо с конденсатором).
• Физически разделяйте аналоговые и цифровые плоскости питания или зоны разводки, чтобы дополнительно изолировать чувствительные участки.

2. Использование анализа PDN и целевых значений импеданса

• Определите и смоделируйте вашу систему распределения питания (PDN) с учётом Анализатор PDN инструменты (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys и т.д.) для обеспечения стабильного напряжения на всех микросхемах при максимальном шаге нагрузки.
• Установите целевое значение импеданса (Z_target) для каждой шины. Для современной логики (шины 1,2 В, 1,8 В, 3,3 В) это значение может быть таким низким, как 10–20 мОм для высокотоковых цепей.

3. Размещение слоистых развязывающих конденсаторов

• Размещайте комбинацию керамических многослойных конденсаторов (MLCC) (0,01 мкФ, 0,1 мкФ, 1 мкФ) как можно ближе к каждому выводу питания — предпочтительно непосредственно под выводом или рядом по кратчайшему маршруту.
• Используйте более крупные объемные конденсаторы (10 мкФ, 22 мкФ, танталовые или керамические) вблизи групп ИС или в точках входа питания.
• Для высокоскоростных цифровых ИС (FPGA, MCU, DDR) используйте дополнительную локальную развязку для снижения шумов одновременного переключения (SSO).

Пример: Таблица развязывающих конденсаторов для печатной платы со смешанными сигналами

4. Минимизация импеданса и резонанса силовых плоскостей

• Максимально увеличивайте толщину меди питания (≥1 унция/фут²) и площадь для критически важных аналоговых шин с целью снижения сопротивления.
• Сохраняйте простую и неразрывную форму плоскостей. Избегайте узких перемычек или ответвлений, которые повышают локальный импеданс.
• Прокладывайте короткие широкие трассы от источника (стабилизатора) до нагрузки, не проходя через зоны с высоким уровнем шума.
• По возможности избегайте прокладки трасс высокоскоростных сигналов над шумными или разделёнными силовыми плоскостями.

5. Ферритовые вставки, LC-фильтры и гальваническая развязка

• Устанавливайте ферритовые вставки на входах аналоговых шин для подавления цифрового коммутационного шума (например, шума ядра МК, тактовых цепей).
• Используйте П-образные LC-фильтры для сверхнизкошумных шин АЦП или возбуждения датчиков.

Пример из практики: устранение шума АЦП на смешанной плате

Модуль датчика промышленного IoT демонстрировал случайные всплески аналоговых показаний при инициации высокоскоростной передачи данных беспроводным трансивером. Анализ PDN показал, что высокие импульсные токи проникают через общую шину 3,3 В, влияя на опорное напряжение АЦП. После добавления ферритового канала, дополнительных локальных развязывающих конденсаторов и разделения аналогового VREF от цифрового VCC отношение сигнал/шум АЦП улучшилось на 22 дБ, а шумовые всплески полностью исчезли.

9. Проектирование с учётом технологичности и взаимодействие с производителями

Проект или насколько тщательны ваши смешанной печатной плате моделирования, успех вашей платы в конечном итоге зависит от того, насколько качественно её можно изготовить, протестировать и собрать на выбранном вами производстве. целостность сигнала —и искусство взаимодействия с производителями печатных плат—гарантирует, что все ваши усилия по обеспечению целостности сигнала без проблем воплотятся в реальную, надёжную аппаратную часть. Проектирование для производительности (DFM) —и искусство взаимодействия с производителями печатных плат—гарантирует, что все ваши усилия по обеспечению целостности сигнала без проблем воплотятся в реальную, надёжную аппаратную часть.

Почему DFM критически важен для успеха смешанных аналогово-цифровых печатных плат и целостности сигнала

Современные аналогово-цифровые печатные платы часто используют компоненты с мелким шагом, многослойные структуры HDI, точный контроль импеданса, плотные массивы переходных отверстий и сложные топологии питания и заземления. Если ваша конструкция не обеспечивает высокое качество производства в масштабах серийного выпуска или регулярно требует переделки из-за невозможности изготовления — все ваши усилия по обеспечению целостности сигналов окажутся напрасными.

Ключевые аспекты DFM для аналогово-цифровых и высокоскоростных конструкций

1. Многослойная структура и доступность материалов

• Уточните у производителя предполагаемую структуру слоёв печатной платы до финальной фиксации разводки — уточните возможное количество слоёв, минимальную толщину диэлектрика и вес меди.
• Используйте материалы, которые есть на складе у производителя (FR-4, Rogers, ламинаты с низкими потерями), соответствующие вашим требованиям к контролю импеданса, низкой перекрёстной помехе и высокой изоляции.
• Проверьте симметрию структуры слоёв (для минимизации коробления), особенно для высокоскоростных и HDI-плат.

2. Типы переходных отверстий, соотношение глубины к диаметру и ограничения сверления

• Укажите требования вашего проекта к переходным отверстиям (сквозные, микропереходные, слепые/закрытые) и убедитесь, что ваша конструкция соответствует возможностям производства.
• Придерживайтесь соотношения сторон ≤10:1 для сквозных отверстий или используйте ступенчатые/составные микропереходы для HDI.
• Минимизируйте «специальную обработку» (например, засверловку остатков), если она не требуется обязательно для целостности сигнала, поскольку это увеличивает стоимость и может снизить выход годных изделий.

3. Контроль импеданса — от моделирования к реальности

• Сообщите требуемые значения импеданса для всех линий передачи (50 Ом, дифференциальные 100 Ом и т.д.) и укажите геометрию вашего пакета слоев в технических примечаниях для производства.
• Запросите контрольные образцы или промежуточную проверку импеданса для подтверждения соответствия критических цепей заданным параметрам.
• Уточните возможности производителя по точному травлению, металлизации и контролю диэлектрика.

4. Толщина меди, кольцевой контакт и ширина/расстояние проводников

• Устанавливайте ширину проводников/расстояния и толщину меди в соответствии с рекомендациями IPC и ограничениями производителя.
  • Для чувствительных аналоговых и силовых трасс рекомендуется использовать медь толщиной не менее 1 унции/фут² для надежного питания и минимального падения напряжения.
• Обеспечьте кольцевые зазоры вокруг переходных отверстий (для надежности металлизации), соответствующие минимальным требованиям производителя.
• Проверьте минимальные зазоры маски от паяльной пасты — особенно в плотных смешанных сигнальных областях и под корпусами BGA.

5. Доступ для тестирования и зондирования

• Установите контрольные точки как на аналоговых, так и на цифровых узлах; согласуйте с вашим сборщиком возможность доступа приспособлений ко всем важным цепям без помех со стороны высоких компонентов, разъёмов или экранирующих кожухов.
• Проектируйте плату с учётом возможности поэлементного и функционального тестирования — эти методы часто позволяют выявить проблемы с целостностью сигнала или ошибки монтажа.

Эффективное взаимодействие с производителями печатных плат

• Обменивайтесь информацией ранней и регулярно: Предоставляйте производителю данные о слоях, целевые значения импеданса, ключевые участки топологии и карты плотности как можно раньше.
• Запросите проверку на соответствие правилам технологичности производства: Запросите отзывы о любых «красных флагах» (например, невозможность реализации конструкций, ограниченные зазоры по меди, проблемы с тепловым управлением).
• Уточните наличие дополнительных операций: Некоторые производители предлагают собственное моделирование SI, автоматическую проверку сетевых списков или расширенный контроль/инспекцию (например, рентген для HDI).
• Совместно проанализируйте отзывы по опытным образцам: Тщательно изучите первые сборки на предмет дефектов пайки, неожиданной ёмкости/индуктивности или участков с проблемами SI/EMI — и при необходимости внесите изменения перед масштабированием.

Чек-лист DFM и совместного взаимодействия с производителем

Пример из практики: повышение выхода продукции с помощью DFM

Беспроводной IoT-хаб с 10-слойной печатной платой смешанного сигнала не прошёл проверку импеданса на дифференциальных линиях USB при первом производственном запуске. Причина: несанкционированная замена указанного препрега с низким Dk привела к отклонению импеданса трассировок с 100 Ом до 115 Ом, что нарушило соответствие требованиям. Благодаря тесному взаимодействию с производителем, проверке всех материалов и добавлению документации по структуре слоёв в Gerber-файлы, конструкция успешно прошла проверки ЭМС/ЭМИ и целостности сигнала в следующей партии — обеспечив 100% выход годной продукции.

10. Тестирование печатных плат со смешанными сигналами на надёжность

Тщательное тестирование — это последняя гарантия надёжности смешанной печатной плате качество И целостность сигнала . Даже самые тщательно разработанные платы могут содержать производственные дефекты, проблемы с сигналами или непредвиденные уязвимости в реальных условиях. Применяя комплексные стратегии проверки, охватывающие как аналоговые, так и цифровые подсистемы, вы обеспечиваете работоспособность продукта, его соответствие стандартам и долгосрочную надежность.

Почему всестороннее тестирование имеет критическое значение

Платы со смешанными сигналами объединяют чувствительные аналоговые компоненты и высокоскоростное цифровое переключение — это создает условия тестирования, при которых даже незначительные помехи или паразитные эффекты могут вызвать сбои на уровне всей системы. Необнаруженные проблемы, такие как скачки потенциала земли, переходные процессы в цепи питания или джиттер тактового сигнала, могут свести на нет месяцы проектных работ и поставить под угрозу надежность устройства в эксплуатации.

Основные типы испытаний для печатных плат со смешанными сигналами

1. Функциональное тестирование

• Назначение: Проверка соответствия работы как аналоговых, так и цифровых цепей проектным спецификациям.
• Методы:  
  • Подача известных аналоговых сигналов и проверка передаточных функций АЦП/ЦАП на предмет линейности, отношения сигнал/шум (SNR) и коэффициента гармонических искажений (THD).
  • Используйте логические анализаторы и тестеры протоколов для проверки цифровых шин (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) на соответствие временным параметрам, отсутствие ошибок передачи и соблюдение протокола.
  • Применяйте петлевые шаблоны и встроенные процедуры самопроверки прошивки для инициализации на уровне платы.

2. Тест на воздействие окружающей среды

• Назначение: Выявляет скрытые дефекты или уязвимости ЭП при экстремальных температуре, влажности и вибрации.
• Методы:  
  • Циклирование температуры (например, от –40 °C до +85 °C), с подачей питания и без.
  • Тесты на воздействие влажности, особенно важные для аналоговых входов/выходов или высокоскоростных интерфейсов ввода/вывода, подверженных внешним воздействиям.
  • Моделирование вибрации и ударов — отслеживание прерываний сигнала, скачков потенциала земли или проблем с сигналами, связанных с разъединителями.

3. Тест на соответствие требованиям ЭМС/ЭМИ

• Назначение: Обеспечивает соответствие уровня излучений платы и её чувствительности установленным нормативным пределам (FCC, CISPR, автомобильная, медицинская и др.).
• Методы:  
  • Измерение излучаемых помех: сканирование платы в безэховой камере для оценки ЭМП от шумных тактовых генераторов, быстрых линий данных и силовых цепей.
  • Кондуктивные помехи: оценка наличия шумов, попадающих на силовые линии платы.
  • Испытания на устойчивость: воздействие на плату ВЧ-энергией или импульсами ЭСР и подтверждение стабильной работы аналоговых/цифровых компонентов.

Типовое оборудование для испытаний печатных плат со смешанными сигналами

Рекомендованная методика тестирования

• Запланируйте точки тестирования при разводке: Обеспечьте доступ как для аналоговых, так и для цифровых измерений — выделите свободные участки для осциллографа, логического пробника или ВЧ-измерений.
• Выполняйте моделирование SI/PI до начала производства: Проверяйте критические цепи в виртуальном прототипе до перехода к аппаратной реализации.
• Создание прототипа, отладка и документирование: Анализируйте ранние версии на наличие расхождений в качестве сигнала (закрытие глазковой диаграммы, джиттер, шум) и фиксируйте шаги по выявлению первопричины и корректирующим действиям.
• Проводите тщательное тестирование на соответствие стандартам: Даже продукты, не имеющие сертификации, выигрывают от испытаний на ЭМП/ЭМС, которые зачастую выявляют непредвиденные проблемы с качеством сигнала, вызванные ошибками разводки, заземления или экранирования.
• Контролируйте на начальном этапе внедрения: Обратная связь из реальных условий эксплуатации чрезвычайно ценна для непрерывной проверки качества сигнала, особенно когда применение связано с изменяющимися условиями окружающей среды.