Kako lahko optimizirano oblikovanje večplastnih tiskanih vezij izboljša integriteto signala?

1. Uvod: Pomen optimizirane integritete signala pri dizajnu mešanih signalov večplastnih tiskanih vezij

V današnjem hitro spreminjajočem se elektronskem okolju je zahteva po kompaktnih in visoko zmogljivih napravah pripeljala do integracije analognih in digitalnih vezij na eno samoprstno mešano signalno PCB ta vezja napajajo vse, od pametnih industrijskih regulatorjev do avtomobilskih informacijsko-zabavnih sistemov – in v središču njihovega delovanja leži en ključni vidik: celovitost signala .

Integriteta signala (SI) se nanaša na kakovost in zanesljivost električnih signalov med potovanjem po tiskanem vezju. Ko signal ohranja svojo predvideno obliko, napetost in časovni vrstni red med potovanjem, sistem deluje tako, kot je predvideno. Vendar pa pri visokofrekvenčnih digitalnih PCB delih in občutljivih analognih PCB domen, ki sovražujejo na mešanem signalnem vezju, se grožnje kakovosti signala pomnožijo. Visokofrekvenčni prehodi, stikalne motnje in parazitski učinki lahko poslabšajo signale – kar vodi do preplet , odbijanje mase , in izgube verodostojnosti podatkov. Posledice? Nepredvidljivo obnašanje vezja, elektromagnetne motnje ( EMI ) , regulatorni problemi in boleče podaljšanja časa do trženja.

Zakaj je celovitost signala tako pomembna pri mešanih signalnih tiskanih vezjih?

Mešana signalna vezja so izpostavljena edinstvenim izzivom glede celovitosti signala, ker digitalna vezja ustvarjajo hitre spremembe robov, napetostne nihanja in sunkaste tokove, ki lahko zlahka onesnažijo analogni poti. Naključen sunek na referenčni tla ravnina ali okvarjen urin signal lahko pomenita neprecizne analogni odčitke, neuspešno Integracijo ADC-ja ali okvarjene prenose podatkov – vse še posebej resno pri aplikacijah, kjer je varnost ključna ali zahtevajo visoko ločljivost.

Preglednica hitrih dejstev: Zakaj je SI pomembno pri mešanih signalnih tiskanih vezjih

Kaj ta vodnik vsebuje

V tem podrobnem priročniku boste izvedeli:

• Osnove mešano signalno PCB inženiring
• Praktične najboljše prakse za upravljanje SI (z ključnimi besedami, kot so nadzorovano impedanco , usmerjanje diferencialnih parov , in strategije ozemljitve )
• 12-korakni postopek za maksimalno zmogljivost in izdelavo
• Napredna obravnava prehodov, slojev, odvojitvenih kondenzatorjev in več
• Namigi za odpravljanje težav in primeri primerov
• Najnovejša orodja za Simulacijo SI in Analizo PDN

2. Kaj je načrtovanje mešanih PCB?

A mešano signalno PCB je tiskano vezje, ki integrira analognih in digitalnih komponent na eno podlago. Ta združitev omogoča sodobnim napravam povezavo med fizičnim – analognim – svetom in digitalno domeno, kar omogoča vse od IoT izdelkov z veliko senzorji do naprednih elektronskih nadzornih enot za avtomobile.

Opredelitev mešanih signalov, analogne in digitalne domene PCB

• Analogna PCB obdelujejo zvezne signale – kot so zvok, temperatura ali nivoji napetosti. Ti signali so zelo občutljivi na hrup, križne motnje in majhne nihanja napetosti.
• Digitalna PCB obdelujejo diskretne logične signale (0 in 1). Čeprav se zdi, da so odporna, so digitalna vezja – zlasti visokofrekvenčna – glavni vir elektromagnetnega hrupa, nihanja mase in hkratnega preklapljanja izhodov (SSO).
• Načrtovanje mešanih signalov PCB se nanaša na postavitve, kjer morata ti dve svetovi sosedovati, pri čemer je potrebno obravnavati zapletene vidike celovitost signala , ozemljitve in celovitosti napajanja.

Tipične uporabe PCB z mešanimi signali

Mešani tiskani vezji so osnova mnogih kritičnih sistemov, vključno z:

• Industrijska avtomatizacija: Krmiljenje v realnem času z vmesniki senzorjev visoke natančnosti.
• Avtomobilske sisteme: Informacijsko-razvedralski sistemi, upravljanje baterij, ADAS in krmiljenje motorja.
• Potrošniška elektronika: Pametni telefoni, nosljivi napravi, avdio naprave in kamere.
• Medicinska oprema: Pacientski monitorji, slikovni sistemi in diagnostična oprema.
• Komunikacije: Usmerjevalniki, oddajniki-prejemniki, SDR in oprema za omreževanje s hitrim prenosom podatkov.

Tabela: Primeri uporabe mešanih tiskanih vezij

Zakaj je načrtovanje mešanih signalov v tiskanih vezjih zahtevno?

Glavna izziv je upravljanje celovitost signala , ker:

• Digitalna vezja ustvarjajo hitre napetostne spremembe (visok dV/dt, visok di/dt), ki inducirajo hrup na skupnih ozemljitvah in napajalnih omrežjih.
• Analogna vezja so ranljiva za šum nizke ravni, celo na ravni mikrovoltov, kar lahko povzroči SNR poslabšanje razmerja signal/šum THD skupno harmonično popačenje v ADP-jih.
• Urin (kot so tisti, ki napajajo Integracijo ADC-ja ) in podatkovne vrstice prečkajo več domen, kar povzroča preplet , neskladnosti vrnitvene poti in napake v časovanju.
• Slabo izvedena strategije ozemljitve in PCB struktura lahko te tveganja še poveča, zlasti pri gostih večplastnih ploščah.

Razumevanje ključnih gradnikov mešanih signalov

Uspešna tiskana vezna plošča za mešane signale doseže:

• Izolacija: Ohranjanje analognih signalov brez digitalnega šuma s pravilnim razporedom, ločevanjem ozemljitve ali z varnostnimi obroči.
• Zanesljiva pretvorba: Zagotavljanje, da vaši A/D pretvorniki (npr. 12-bitni ali 16-bitni) in D/A pretvorniki zagotavljajo natančne podatke z majhnim časovnim odmikom, tako da uporabite čiste razdeljevalne omrežja urin in optimizirano izolacijo.
• Nadzorovana impedanca: Uveljavljanje 50 Ω enopolnih ali 100 Ω diferencialnih linij za sledi z visoko hitrostjo prenosa podatkov z uporabo mikrotrakov, trakovnih vodnikov ali struktur coplanarnih valovodov.
• Učinkovita omrežja za dostavo moči (PDN): Zmanjševanje valovitosti in ohranjanje stabilnih napetosti z ustreznimi odstranjevalnimi kondenzatorji ter načrtovanjem ravnin napajanja.
• Ekraniranje in upravljanje z motnjami (EMI): Uporaba prepletanja preko vodikov, litja bakra ali Faradayevih kletk v ključnih občutljivih področjih.

3. Ključne težave s celovitostjo signala pri izboljševanju mešanih PCB plošč

Načrtovanje robustnega mešano signalno PCB je zapleteno ravnotežje: zahteva previdno usklajevanje občutljivosti analognih delov in neprestane dejavnosti digitalne logike na skupnem substratu. Ko se hitrosti podatkov povečujejo in gostota plošč narašča, postaja zagotavljanje trdne celovitosti signalov (SI) ne le izziv – temveč nujnost. Spodaj obravnavamo glavne ovire pri celovitosti signalov, s katerimi se mora spopasti vsak načrtovalnik mešanih PCB plošč, da bi dobil zanesljive izdelke visokih zmogljivosti. celovitost signala (SI) postane ne le izziv – temveč nujnost. Spodaj obravnavamo glavne ovire pri celovitosti signalov, s katerimi se mora spopasti vsak načrtovalnik mešanih PCB plošč, da bi dobil zanesljive izdelke visokih zmogljivosti.

1. Medkanalne motnje in skupna upornost

Kadar tečejo analogske in digitalne sledi skupaj, zlasti na daljših vzporednih odsekih, hitro spreminjajoči se digitalni signali vnašajo šum v občutljive analogne linije prek medsebojne kapacitivnosti in induktivnosti – pojav, ki je znan kot preplet . V visokofrekvenčnih vezjih to lahko povzroči pomembne napake pri analognih meritvah ali pokvari podatke. Slaba usmerjanje diferencialnih parov in neujemajoče se impedančne vrednosti ta problem še poslabšajo.

2. Skoki mase in zanke mase

Odbijanje mase nastanejo, ko hkrati preklopijo visokofrekvenčni digitalni izhodi, kar povzroči nenadne spremembe napetosti na masi. Ti premiki (simultaneous switching outputs ali SSO) so še posebej problematični tam, kjer analogni in digitalni del delita celotno ali delno ravnino mase. To povzroča ne le časovne napake v digitalnih signalih, temveč tudi moti referenčne napetosti za analogno-digitalne pretvornike, operacijska ojačevalnika in občutljive senzorje.

Zanke mase nastanejo, kadar obstajajo več poti za vrnitev toka na maso, kar tvori neželene »antene«, ki lahko vnašajo žamor, nihanje ali prevzamejo okoljski EMI. To povzroča strategije ozemljitve —kot so previdno postavljanje in povezava na eno točko ozemljitve—ključna za mešane tiskane vezije.

3. Šum v omrežju distribucije napajanja (PDN)

Nihanja na napajalnih tirih, povzročena s hitro preklapljanjem obremenitev (digitalna integrirana vezja, gonilniki ur), lahko ustvarijo valovanje in izbruhe šuma, ki se neposredno sklopijo v analogne napajalne linije ali vhode analognih referenc. Če odstranjevalni kondenzatorji niso zadostni, napačno postavljeni ali imajo slabe lastnosti ESR, trpi kakovost napajanja. Nestabilno PDN ne ogroža le integritete signala (SI), temveč tudi ločljivost A/D pretvornika (povzroča titranje, izgubo SNR in celo funkcionalne napake).

4. Neskončnosti impedanc in motnje povratnih poti

Hitri digitalni signali se obnašajo kot vodniki z nadzorovano impedanco (običajno mikrotrak ali stripline), vsaka neskončnost—kot je slabo zasnovan prehod, konektor ali razdeljena ravnina napajanja/ozemljitve—pa bo povzročila odboje signalov, stoječe valove in neskladje impedanc . Prav tako morajo biti povratne poti za analognje in digitalne signale kratke, neposredne in brez razcepljenj ali odcepnih linij, sicer odboji in izguba signala se pojavijo.

Tabela: Pogoste motnje in njihovi učinki

5. Težave z EMI/EMC

Elektromagnetnim motenjam (EMI) in elektromagnetna združljivost (EMC) sta nadrejeni izzivi, zlasti pri mešanih vezjih. Digitalna vezja s hitrimi robovi delujejo kot EMI „oddajniki“, medtem ko so analogni senzorji, RF vhodi in ADP občutljivi „sprejemniki“. Neustrezna očitovanje , slaba razporeditev ravnin in pomanjkanje stičnih vodov lahko spremenijo tiskano vezje v oddajno anteno, kar ogroža uspešno zakonsko certifikacijo.

6. Težave s časovanjem signalov in porazdelitvijo urinih signalov

Neravno razdeljevalne omrežja urin ali prekomerno tiktakanje ure lahko povzroči napačno usklajevanje časovnih dogodkov (razmik) med domenami, kar povzroči nepredvidljivo zakasnitev, metastabilnost in napake pri sprožanju podatkov – še posebej med prehodom med urovnimi domenami . Analogno-digitalni in digitalno-analogni pretvorniki so še posebej občutljivi na hrup in tiktakanje ure, kar poslabša učinkovito pasovno širino in natančnost.

7. Neustrezna simulacija in analiza pred postavitvijo

Sodobna zapletenost tiskanih vezij naredi za nevarno »ugibanje« brez namenske Simulacijo SI in analize integritete napajanja (PI) . Orodja za simulacijo (kot so HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) omogočajo načrtovalcu, da vnaprej zazna in odpravi subtilne težave – kot so neujemalnosti dolžin, prekinitve povratnih poti, parazitska kapacitivnost in toplotni žari – že pred izdelavo.

4. Najboljše prakse in ključna vprašanja

Oblikovanje priročne torbe mešano signalno PCB z odličnimi celovitost signala zahteva raznolik, celostni pristop. Vsaka odločitev – od vrstnega reda do razdelitve napajanja – lahko vpliva na končno zmogljivost plošče pri dejanski uporabi. V tem razdelku boste odkrili bistvene, izvedljive najboljše prakse, ki obravnavajo tako osnove oblikovanja kot napredne tehnike za integracijo analogne/štiralske elektronike.

1. Načrtujte ločevanje plošče že zgodaj

Jasno funkcionalno ločevanje je nujno. Določite namenska območja za analognih PCB in digitalnih PCB kroge že med zajemom sheme in postopkom postavitve elementov. Fizična razdalja znatno zmanjšajo šum, nihanje mase in medsebojne vplive med posameznimi domenami. Pravilo prsta: nikoli ne vodite digitalnih urinih signalov ali visokofrekvenčnih podatkovnih signalov pod ali blizu občutljivih analognih komponent.

Ključna dejanja:

• ADP, senzorje in analogni ojačevalnike postavite čim dlje stran od oscilatorjev, FPGA, stikalnih regulatorjev in virov visokofrekvenčnih kristalov.
• Usmerite glavna digitalna podatkovna vodila tako, da bodo pravokotna na kritične analognе poti signalov, da omejite kapacitivno sklopitev.

2. Optimizirajte svojo strukturo tiskanega vezja

PCB struktura vpliva na vse, od imunosti na elektromagnetne motnje do nadzora impedancе. Uporabite strukturo plasti, ki visoko hitrostne signale postavi med trdne, neprekinjene tlake (in tam, kjer je potrebno, napajalne ravnine). To ne omogoča le nadzorovanih prenosnih linij z impedanco, temveč tudi kratke, neposredne poti vrnitve za hitre prehodne tokove.

3. Glavne strategije ozemljitve

Ozemljitev je temelj celovitosti mešanih signalov. Splošno obstajata dva pristopa:

• Enotočkovna (zvezdna) ozemljitev: Dedikirano povezavo povezuje analogni in digitalni vrnitveni tok na nadzorovan način – še posebej učinkovita za nizko- in srednjefrekvenčne konstrukcije.
• Neprekinjena ozemljitvena ravnina: Pri konstrukcijah za višje hitrosti/frekvence nudi trdna, neprekinjena bakrena ravnina s previdno segmentacijo (če je potrebna) najkrajše poti za vrnitev in najnižjo generacijo EMI.

Najboljše tehnike ozemljitve za mešane tiskane vezije:

• Izogibajte se zankam v ozemljitvi z zagotavljanjem ene same povratne poti za vsako funkcijo vezja.
• Ne delite ravnin ozemljitve naključno. Delite jih le ob absolutni potrebi in jih vedno povežite v eni sami točki z nizko impedanco pod ADC ali glavnim pretvornikom.
• Uporabite varovalne obroče ali dodatke bakerja okoli analognih linij z visoko impedanco in kritičnih analognih vezij, da jih dodatno zaščitite.

4. Nadzorujte impedanco in uporabite usmerjanje diferencialnih parov

Hitrostne digitalne sledi morajo biti usmerjene kot nadzorovano impedanco vode, prilagojene zahtevam vmesnika (50 Ω enopoljne, 100 Ω diferencialne tipično). To zmanjša odboje signalov in nastajanje stoječih valov. Pri diferencialnem signaliziranju (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) sta ključna razmik trakov in uskladitev dolžin.

5. Zagotovite stabilno distribucijo napajanja in odvajanje

-Tvoj omrežje distribucije napajanja (PDN) zasluži resen inženirski pristop.

• Uporabite ločene regulatore ali filtrirane domene za analognih in digitalnih tokokrog. Nizkošumne LDO (linearni regulatorji) za analogne, stikalni regulatorji (SMPS) za digitalne obremenitve, po potrebi filtrirani.
• Strateško postavite odvajalne kondenzatorje (vključno z več vrednostmi za filtriranje visokih/nizkih frekvenc) čim bližje priključkom napajanja integriranih vezij. Izberite kondenzatorje z nizkim ESR in uporabite mešanico keramičnih MLCC (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF itd.).
• Uporabite feritne perle ali majhne ločilne tuljave med analognimi in digitalnimi ravninami/tokokrogi.

Primer mize za ločevanje

6. Prednost dajte upravljanju EMI/EMC

Uporabite večplastni pristop:

• Uporabite oklepe za ekraniranje in kovinske ohišja za visoko tvegane analogne in RF dele.
• Povezovanje s preboji (redno razporejeni ozemljitveni prehodi) okoli analognih delov in vzdolž robov plošče zadržijo povratne tokove, kar zmanjša „uhajanje“ EMI.
• Previdno usmerjanje ur linije ure naj bodo kratke, usmerjene stran od analognih področij in zaščitene z sosednjimi ozemljitvenimi sledmi ali ravninami. Izogibajte se usmerjanju ur skozi razrezana ali razdeljena ozemljitvena območja, da preprečite sevanje.

7. Preverite s simulacijskimi orodji in DFM preverjanjem

Ne ugibajte – simulirajte! Uporabite Simulacijo SI in Analizator PDN orodja (kot so HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity ali vgrajena orodja v Altiumu/OrCAD-u) za ocenjevanje:

• Signalni diagnostični diagrami (eye diagram)
• Napovedi križnega vpliva (crosstalk)
• Celovitost povratne poti
• Valovanje napetosti in ozemljitve
• Topla mesta / upravljanje temperature

5. 12 korakov do optimiziranega učinkovitega načrta mešanega signala PCB

Obvladovanje celovitost signala z praktičnim, postopnim postopkom je v središču načrtovanja tiskanih vezij mešanega signala ki zanesljivo delujejo v realnih pogojih. Spodaj predstavljamo 12 preizkušenih korakov – vsak odraža najboljše prakse v industriji, pogoste pasti in uporabno inženirsko modrost.

Korak 1: Zgodnja ločitev analognih in digitalnih sekcij

1.1 Določitev analognih in digitalnih domen

• Preglejte shemo, da kategorizirate komponente kot izključno analogne, digitalne ali mešane (kot so ADC-ji, DAC-ji, CODEC-i).
• Označite funkcijo vsakega vezja: nizkošumni analogni, digitalna logika, visokofrekvenčno taktno signaliziranje itd.

1.2 Strategična postavitev

• Fizično ločite analogni in digitalni del na razporeditvi tiskanega vezja.
• Vodite analognes signale stran od digitalnih vodov in se izogibajte vodenju digitalnih sledi pod analognimi integriranimi vezji.
• Uporabite šelkotisk ali označevanje s prevodom, da označite meje, kar olajša sestavo in odpravljanje napak.

Korak 2: Izbira komponent z ustreznimi vmesniki

Pri integraciji različnih podsistemov izbira pravega protokola vmesnika izboljša tako izkoristanje in celovitost signala .

Pogosti vmesniki in primeri uporabe

Korak 3: Izboljšaj funkcionalnost ADC za natančno merjenje

3.1 Izberite pravi A/D pretvornik za opravilo

• Uporabili ključne specifikacije A/D pretvornika : Razločnost (12, 16, 24 bitov), SNR, THD, največja frekvenca vzorčenja, vhodna impedanca, stabilnost referenčnega napetostnega vira.
• Izberite arhitekturo, primerno za aplikacijo: SAR, Sigma-Delta ali cevovodne A/D pretvornike.

3.2 Zagotovite stabilne ure in ločite vir neželenih motenj

• Uporabljajte nizkošumnike z majhnim časovnim odmikom. Časovni odmik ur degradira učinkovito število bitov (ENOB) pri visokofrekvenčnih A/D pretvornikih.
• Fizično ločite sledi ur od šumnih digitalnih avtobusov.
• Odstranite motnje na napajalnem tokokrogu A/D pretvornika s kondenzatorji z nizkim ESR-jem.

3.3 Ohranite čistost referenčnih napetosti

• Kondenzatorje za referenco (10–100 µF, plus keramični 0,1 µF) postavite čim bližje pini Vref A/D pretvornika.
• Varovalni obroči okoli referenčnih linij zmanjšujejo še naprej vpliv motenj.

Korak 4: Oblikujte učinkovit večplastni tiskani vez (PCB)

Previdno razvit PCB struktura predstavlja temelj uspeha pri mešanih signalih.

• Postavite plasti visokofrekvenčnih signalov ob stranskih ploščah trdnih referenčnih ravnin.
• Izogibajte se deljenju masnih ali napajalnih ravnin pod speljanimi signali.
• Ohranite simetrijo v strukturi, da zmanjšate upogib/zvijanje in podprete zatiranje prestopanja signalov.

Korak 5: Uvedba učinkovitih strategij uzemnitve

• Enotočkovna povezava med analognimi in digitalnimi ozemljitvami (običajno pri ADC-ju).
• Uporabite trdne, široke bakrene površine/lunke za poti ozemljitve—zmanjšajte upornost in induktivnost.
• Uporabite varovalne sledi in bakreni prelivi okoli občutljivih analognih signalov.

Korak 6: Optimizacija porazdelitve napajanja in odvajanja

6.1 Uporaba ločenih napajalnih virov

• Ločite analogne in digitalne vodove. Uporabite LDO-je za analogne signale, stikalne/ferritno filtriranje za digitalne.
• Napajajte pretvornike ADC in druge visoko natančne komponente z najčistejšim možnim vodom.

6.2 Odvijalni kondenzatorji za filtriranje hrupa

• Postavite kombinacijo visokofrekvenčnih (0,01–0,1 µF) in masivnih (1–10 µF) keramičnih kondenzatorjev MLCC pri vsakem integriranem vezju.
• Zmanjšajte površino zanke tako, da ohranite kratke sledi od kondenzatorja do pina.

Korak 7: Učinkovito usmerjanje analognih in digitalnih sledi

• Nikoli ne križajte analognih in digitalnih sledi —vzdržujte slojno, ločeno usmerjanje.
• Izogibajte se vodenju visokofrekvenčnih sledi čez razdelitve ali reže v vrnjenih tokokrogih ozemljitve.
• Prilagodite dolžine sledi za visokofrekvenčne/diferencialne pare; uporabite kalkulatorje impedanc za natančne širine.

Korak 8: Uvedba strategij toplotnega upravljanja

• Prepoznajte komponente, ki oddajajo toploto (regulatorji, gonilniki z visokim tokom, procesorji).
• Uporaba toplotni prehodi in namensne bakrene površine (toplotne podložke) za odvajanje toplote na notranje ali nasprotne plasti.
• Upoštevajte prisilno hlajenje z zrakom, toplotne grebene ali celo vdelane bakrene elemente, če je gostota moči visoka.

Korak 9: Uskladite razporeditev ur pri izboljševanju mešanih vezij

• Distribuirajte ure s pomočjo nizko-razpršilnih (low-skew) vhodnih pomnilnikov.
• Vodite sledi ur po kratkih, neposrednih poteh, zaščitenih s tlemenskimi ravninami.
• Izogibajte se vodenju sledi ur preko razdeljenih ozemljitev – ohranjajte neprekinjene referenčne ravnine.

Korak 10: Uvedite ekraniranje za upravljanje motenj

• Uporaba Faradayeva kletka , kovinske oklepe ali trdne bakrene ohišja za zlasti občutljive analognе/RF dele.
• Gosti šivaste prebore okoli ekraniranih območij in vzdolž robov plošče.

Korak 11: Simulacija dizajna večplastne tiskane vezne plošče za mešane signale

• Uporabite orodja za simulacijo SI/PI (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) za analizo:
  • Zveznost impedanc
  • Očesne diagrame in jitro
  • Nihljanje napajanja
  • Poti vračila in ranljivosti zaradi medsebojnih motenj

Korak 12: Priprava in prenos proizvodnih datotek

• Preglejte in dokončajte risbe slojev, ključne specifikacije materialov (npr. debelina bakra , dielektrične konstante, tipi preborov).
• Zavarujajo kontrola impedanc in označbe testnih točk so jasne v Gerbersih.
• Dodajte označene reference za ekraniranje, povezovanje prebodov (via stitching) in termalne prebode.
• Vključite podrobni seznam priključkov (netlist) in dostop do funkcionalnega testa za oba področja.

6. Razumevanje prebodov (vias) in njihov vpliv na integriteto signala

Prehodi —majhne navpične povezave, ki povezujejo plasti v mešano signalno PCB —so pogosto prezrte kot vzrok slabega celovitost signala . Vendar pa, ko se taktni frekvenci povečujeta na stotine MHz ali celo v GHz območje, struktura preboda vse bolj močno vpliva na vse – od impedancije prenosne linije do krosstalaka in nihanja mase. Za zanesljivo delovanje pri visokih hitrostih ali analognih signalih je ključno razumeti in optimizirati lastnosti prebodov.

Vrste prebodov in njihova vloga na tiskanih vezjih za mešane signale

Prebodi prihajajo v različnih oblikah, vsak s posebnim vplivom na kakovost signala:

Vpliv induktivnosti in kapacitivnosti prebode

Na tipičnem visoko hitra PCB , induktivnost prebode in kapacitivnost so skupaj znani kot parazitni elementi —neželeni stranski učinki, ki popačijo hitre robne signale. Ti učinki so še posebej problematični pri nadzorovano impedanco (npr. okolje 50 Ω enojno, 100 Ω diferencialno).

Ključni učinki:

• Parazitska induktivnost vzroki:
  • Počasnejši robovi, zmanjšanje visokih frekvenc
  • Odboji, prenapetost signala in nihanje
• Parazitska kapacitivnost vzroki:
  • Lokalni padci impedanc, izkrivljanje pri hitrih robovih
  • Povečan krosstolk med preboji ali do sosednjih ravnin

Primer: podatkovna linija 10 Gbps

Preboj z 1 mm ostankom (ne povezan rep znotraj tiskane vezne plošče) lahko povzroči resonanco na več GHz, kar močno izkrivi serijski signal 10 Gbps. Odstranitev ali skrajšanje tega ostanka (s povratnim vrtanjem preboja ali uporabo slepih mikroprebojev) vrne amplitudo signala, širino očesa in časovno motnjo nazaj v specifikacije.

Strategije za optimizacijo prehodov in integriteto signala

Optimizacija uporabe prehodov je ena najpomembnejših odločitev pri visokofrekvenčnih in mešanih tiskanih vezjih. Tu so ključne najboljše prakse:

• Zmanjšajte število prehodov vzdolž vseh kritičnih visokofrekvenčnih ali občutljivih analognih sledi.
• Uporabite mikroprehode ali kratke slepe prehode namesto dolgih skozi-luknjičastih prehodov pri potekih nad GHz.
• Izogibajte se ostankom prehodov :

• • Kjer je mogoče, uporabite povratno vrtanje, da odstranite odvečni del cevi prehoda pod dejavno plastjo.
  • Ali omejite prehodne prehode na »plast-do-plasti« brez orfanskih končnic.

• Optimizirajte postavitev prehodov :

• • Ohranite simetrijo v diferencialnih parih.
  • Visokofrekvenčne prebore postavite blizu referenčnih masnih preborov (šivanje preborov), da zmanjšate površino zanke in podprete povratne poti.

• Bliskost ravnini mase : Za digitalne in mešane signale vedno postavite masni prebor blizu vsakega signalnega prebora, s čimer zmanjšate tveganje sevanja EMI.

Tabela: Smernice za optimizacijo preborov

Odnos višine in premera pri obrabi in kakovosti signala

Razmerje strani (globina prebijačnega odprtja proti premeru) vpliva tako na izdelavo kot na kakovost signala. Visoki razmerji naredijo prevleko nepredvidljivo (nevarnost praznin ali odprtih cevi) in povečajo impedanco prehoda, še posebej v HDI dizajnih.

• Priporočen razmerje stranic: ≤10:1 za standardne prebore; veliko nižje za mikroprebore
• Uporabni primer: Za PCB debeline 1,6 mm omogoča najmanjši premer vrtanja 0,16 mm (6,3 mil) varno prevleko

Primer primera SI: Mikroprebor proti preboru pri visokofrekvenčnem serijskem vodniku

Načrtovalec telekomunikacijske opreme, ki integrira 12-plastno mešano-signalno hrbtenico, je zamenjal starejše prebore na paru SerDes s hitrostjo 6,25 Gbps z slepimi mikroprebri s površinskim vrtanjem. Utrip v očesnem diagramu se je zmanjšal za 31 %, prestopna motnja (pri 5 GHz) se je razpolovila in načrt je uspešno opravil prvo krog testiranja EMI – kar dokazuje neposredno korist za integriteto signala sodobne strategije preborov.

Povzetek najboljših praks

• Izberite vrste in strukture preborov glede na celovitost signala zahteve, izdelovalnost in slojevno postavitev plošče.
• Simulirajte (z orodji Ansys SIwave, HyperLynx ali Altium SI) morebitno sklopitev, resonanco ali tveganje odboja na preboreh – še posebej na vodnikih nad 500 Mbps ali kritičnih analognih signalih.
• Vedno uravnotežite potrebe SI z povratnimi informacijami DFM svojega proizvajalca tiskanih vezij za zanesljive izdelke.

7. Strategije mreže za tla pri visokofrekvenčnih in mešanih signalih na tiskanih vezjih

Upravičeno oblikovan tla ravnina je tihi varuh integritete signala pri vsakem visoko zmogljivem mešano signalno PCB . Ko digitalne hitrosti naraščajo in analogna natančnost se povečuje, postane ozemljitveni sistem kritična vrnitvena pot za vsak signal, ščit proti EMI ter referenca »nič-volt« za vse analognе in digitalne meritve. Vendar lahko majhne napake pri postavitvi ravnine ozemljitve tiho ogrozijo celo najnaprednejše konstrukcije.

Vloga ravnin ozemljitve pri tiskanih vezjih z mešanimi signali

V obeh analognih PCB in digitalnih PCB podsklopi, ravnina ozemljitve opravlja tri osnovne funkcije:

• Vrnitvena pot signala: Z zagotavljanjem nizkoimpedančnih, neposrednih povezav med vir in obremenitvijo omogoča stabilen prenos visokofrekvenčnih digitalnih in občutljivih analognih signalov.
• Zatiranje EMI: Ponuja neprekinjen ščit, ki absorbira in omejuje sevanje, s čimer omejuje notranji prepletanje in zajemanje zunanjih motenj.
• Stabilnost reference: Ohranja konstantno napetostno referenco, kar je ključno za integracijo ADC in natančna analogni merjenja.

Najboljše prakse pri izvedbi ozemljitvene ravnine

1. Uporabite trdno, neprekinjeno ozemljitveno ravnino

• Namensko dodelite celoten sloj (ali več slojev) neprekinjeni ozemljitvi.
• Izogibajte se rezanju, žlebovanju ali segmentaciji te ravnine pod signalnimi sledmi.
  • Fakt: Vsak žleb ali prekinitev v ozemljitveni ravnini pod visokofrekvenčno sledjo prisili povratne tokove, da obvozijo prekinitev, s čimer se znatno poveča zanka, elektromagnetne motnje (EMI) in občutljivost na hrup.
• Visokofrekvenčne in visokoločljive analogne vezje postavite neposredno nad njihovo referenčno ozemljitev, da skrajšate povratne zanke in zmanjšate parazitsko induktivnost.

2. Ločite analogne in digitalne ozemljitve – z disciplino

• Pri mnogih mešanih signalnih tiskanih vezjih je pametno logično (ne vedno fizično) ločene analogni in digitalni ozemljitve, ki se stikata v enotni zvezdni točki —pogosto neposredno na ADC ali DAC. To preprečuje, da bi hrupni vračalni tokovi digitalne ozemljitve onesnaževali analogne reference.
• Uporabite fizične razdelitve samo če je nujno ; nikoli ne delite brez razloga in vedno zagotovite most z nizko impedanco v ključnih točkah pretvorbe/interfejsa.
• Izogibajte se dolgim vzporednim potekom sledi analognih in digitalnih ozemljitev, ki lahko delujejo kot antene.

3. Povežite ravnine ozemljitev s preboji

• Uporaba povezovanje s preboji okoli zaščitenih območij, robov plošče in v neposredni bližini prehodov hitrih signalov. Gostо postavljeni (≤2 mm) ozemljitveni prehodi zagotavljajo učinkovito omejitev EMI in skrajšajo zankо vračanja signala.
• Za diferencialne ali visokofrekvenčne pare, ki prečkajo ravnine, zagotovite, da so ob straneh signalnih prehodov postavljeni ozemljitveni prehodi za ustrezno usmerjanje vračilnega toka.

4. Uporabite večplastne ozemljitvene ravnine za kritične aplikacije

• Večplastne tiskane vezje (npr. 4, 6 ali več plasti) morajo imeti vedno več kot eno ozemljitveno ravnino za nizkoimpedančno vračanje in dodatno zaščito. Razmislite o »sendvični« konfiguraciji z dvema ozemljitvenima ravninama, ki obejujeta plast s signalom.
• Primer složitve:  
  • Plast 2: Trdna ozemljitev za digitalne signale
  • Plast 4: Analogna ozemljitev (povezana v zvezdni točki pretvornika ADC)
  • Plast 6: Ozemljitev ohišja ali ščita (za ohišje ali RF aplikacije)

Praktična navodila za ozemljitvene ravnine – tabela

8. Celovitost napajanja: Zagotavljanje čistega omrežja za dostavo napetosti

Načrtovanje za stabilnost integriteta napajanja (PI) ni le dostava napetosti do vaših naprav – gre za zagotavljanje, da vsako občutljivo analogni vhodni del, vsak visokofrekvenčni digitalni signal in vsak točnostni pretvornik vedno prejmejo brezšumno, stabilno oskrbo pod katerim koli realnim obremenitvenim stanjem. Pri mešanih PCB dizajnih, porazdeljevanje moči strategije so enako pomembne kot celovitost signala uzemljitev in nadzor impedanc

Zakaj je integriteta napajanja pomembna pri mešanih PCB ploščah

Šumen ali šibek omrežje napajanja (PDN) lahko ogrozi najboljše analogne ali digitalne postavitve. Razmislite o naslednjem:

• Nihljanje napajanja se lahko neposredno sklopi v Integracijo ADC-ja , zmanjša učinkovito ločljivost in razmerje S/R ter povzroči nihanje na urah vmesnikov.
• Prehodne padce (»padci mase«) zaradi hitrega digitalnega stikala ustvarijo odbijanje mase ali prekrivanje, ki ga lahko analogni tokokrogi ojačajo ali demodulirajo.
• Premalo odstranjevalni kondenzatorji ali slabo postavljeni veliki kondenzatorji lahko omogočijo nihljanje napetostnih tirnic, kar lahko poškoduje logična stanja in odčitke senzorjev.

Strategije za čisto oskrbo z energijo

1. Ločitev analognih in digitalnih domen napajanja

• Kjer je mogoče, uporabljajte ločene analogni in digitalni tirnici. Analogni del napajajte iz nizkonapetostnih linearnih regulatorjev (LDO), medtem ko digitalne domene lahko oskrbujejo visoko učinkoviti stikalni viri (SMPS).
• Za kritične senzorje ali visoko ločljive AD pretvornike dodajte dodatni filter analognega vira (LC ali feritska perlina + kondenzator).
• Fizično ločite analogni in digitalni ravnini napajanja, da dodatno izolirate občutljive dele.

2. Uporaba analize PDN in ciljnih impedanc

• Določite in simulirajte svoj PDN z Analizator PDN orodji (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys itd.), da zagotovite, da vsi čipi prejmejo stabilno napetost pri največjem koraku obremenitve.
• Določite ciljno impedanco (Z_target) za vsako tirnico. Za sodobno logiko (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V tirnice) lahko ta znaša le 10–20 mΩ za poti z visokim tokom.

3. Postavitev slojevitih odstranjevalnih kondenzatorjev

• Postavite kombinacijo MLCC-jev (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) čim bližje vsakemu pinih napajanja—najbolje neposredno pod ali sosednji prek najkrajše poti.
• Uporabite večje skupinske kondenzatorje (10 μF, 22 μF, tantal ali keramični) razporejene v bližini skupin integriranih vezij ali na vhodu napajanja.
• Za digitalna integrirana vezja z visoko hitrostjo (FPGA, MCU, DDR) uporabite dodatno lokalno odstranjevanje, da zmanjšate hrup zaradi hkratnega stikala (SSO).

Primer: Tabela odstranjevalnih kondenzatorjev za mešano-signalno tiskano vezje

4. Zmanjšajte impedanco in resonanco ravnine napajanja

• Povečajte debelino (≥1 oz/ft²) in površino bakrenih plošč za kritične analogni vodila, da dosežete nizko upornost.
• Oblike ravnin ohranite preproste in neprekinjene. Izogibajte se ozkim prekrivom ali vejam, ki povečujejo lokalno impedanco.
• Vodite kratke, široke sledi od vira (regulator) do obremenitve, ne da bi prečkali območja z visokim šumom.
• Kadar je mogoče, se izogibajte položitvi sledi s hitrimi signalnimi spremembami nad hrupnimi ali razdeljenimi ravninami napajanja.

5. Feritne perle, LC filtri in ločevanje

• Dodajte feritne perle na vhode analognih vodil, da blokirate digitalni stikalni hrup (npr. hrup jedra MCU, taktirnih vezij).
• Uporabite Pi-mrežne LC filtre za ultra-nizko-hrupna vodila ADC-ja ali vzbujanja senzorjev.

Primer primera: Odprava šuma ADC na mešanem signalnem tiskanem vezju

Modul senzorja industrijskega IoT je pri prenosu podatkov s hitrim oddajnikom prikazoval naključne izsoke v analognih meritvah. Analiza PDN je razkrila, da se visoki stikalni tokovi skozi skupno 3,3 V tirnico sklopijo v referenco ADC. Po dodajanju feritne perle, dodatnega lokalnega odpiranja in ločitvi analogne VREF od digitalne VCC se je SNR pri ADC izboljšal za 22 dB in izsoki šuma so popolnoma izginili.

9. Načrtovanje za izdelavo in sodelovanje s proizvajalci

Ne glede na to, kako napreden je vaš mešano signalno PCB načrt ali kako temeljit je vaš celovitost signala simulacije, uspeh vaše plošče končno odvisen od tega, kako dobro jo lahko izdelajo, preskusijo in sestavijo izbrani proizvajalci. Načrtovanje za izdelovanje (DFM) —in umetnost sodelovanja s proizvajalci tiskanih vezij—zagotavlja, da se vse vaše ambicije SI brezhibno prenesejo v resnično, zanesljivo strojno opremo.

Zakaj je DFM ključen za uspeh mešanih signalnih PCB in SI

Sodobne mešane tiskane plošče pogosto uporabljajo komponente z majhnim korakom, HDI sloje, natančno nadzorovano impedanco, goste matrike prehodov in zahtevne izvedbe napajalnih ožičenj ter ozemljitve. Če vaš dizajn ne omogoča visokokakovostne proizvodnje v večjem obsegu ali redno zahteva popravila zaradi neproizvodljivih lastnosti, so vsi vaši trudi pri ohranjanju integritete signala zaman.

Ključni vidiki DFM za mešane in hitre signale

1. Sestava slojev in razpoložljivost materialov

• Preverite predvideno sestavo tiskane plošče s svojim dobaviteljem pred dokončanjem postavitve – povprašajte o dosegljivem številu slojev, minimalni debelini dielektrika in težah bakrenih folij.
• Uporabite materiale, ki jih proizvajalec že ima na zalogi (FR-4, Rogers, laminati z nizkimi izgubami), ki ustrezajo vašim ciljem za nadzorovano impedanco, nizek krosstolk in visoko ločenost.
• Potrdite simetrijo sestave slojev (za zmanjšanje upogibanja), še posebej pri ploščah za hitre signale in HDI.

2. Vrste prehodov, razmerje dolžine in premera ter omejitve vrtanja

• Posplošite zahteve po prehodih za vaš projekt zahteve po prehodih (skozi luknje, mikroluknje, slepe/pogrebene) in zagotovite, da vaš dizajn ustreza zmogljivostim proizvajalca.
• Upoštevajte razmerja vidika ≤10:1 za skozi luknje ali uporabite fazirane/stopnjene mikroluknje za HDI.
• Zmanjšajte »posebne postopke« (npr. nazadnje vrtanje ostankov), razen če so nujno potrebni za integriteto signala – saj povečajo stroške in lahko zmanjšajo izkoriščenost.

3. Nadzor impedanc – Od simulacije do resničnosti

• Spregovorite ciljne impedance za vse prenosne linije (50 Ω, 100 Ω diff, itd.) in navedite geometrijo svoje slojevite strukture v opombah za proizvodnjo.
• Zahtevajte testne kuponje ali medprocesni nadzor impedanc, da preverite, ali bodo ključna omrežja ustrezala specifikacijam.
• Potrdite zmogljivosti proizvajalca za natančno graviranje, prevlekanje in nadzor dielektrika.

4. Debelina bakra, kolobarasta ploskev in širina/vzmetenje trakov

• Nastavite širino/vzmetenje trakov in debelino bakra na podlagi smernic IPC ter omejitev proizvajalca.
  • Za občutljive analogne in močnostne sledi upoštevajte uporabo bakra z debelino ≥1 oz/ft² za stabilno napajanje in majhen padec napetosti.
• Zagotovite krožne prstane okoli prehodov (za zanesljivost prevleke) v skladu z minimalnimi zahtevami proizvajalca.
• Preverite najmanjše razdalje za lako izolacijo – še posebej v gostih mešanih signalnih področjih in območjih BGA.

5. Preizkušanje in dostop do sonda

• Vključite meritvene točke na analognih in digitalnih vozliščih; sodelujte s svojim sestavljalcem, da preverite, ali lahko pritrdila dosežejo vse pomembne mreže brez ovir zaradi visokih komponent, priklopnic ali oklepov.
• Načrtujte za preizkušanje v vezju in funkcionalno preizkušanje – te zmogljivosti pogosto odkrijejo motnje SI ali napake pri sestavljanju.

Učinkovito sodelovanje s proizvajalci tiskanih vezij

• Delite čim prej in pogosto: Čim prej posredujte proizvajalcu strukturo večplastnega vezja, ciljne impedanče, ključne postavitve in zemljevide gostote.
• Zahtevajte pregled DFM: Povabite k povratnim informacijam o morebitnih »rdečih zastavah« (npr. neizvedljivost struktur, omejeni razmiki bakrenih plošč, težave pri upravljanju toplote).
• Vprašajte o dodatno vrednostjo obogatenih procesih: Nekateri izdelovalci ponujajo domače simulacije SI, avtomatsko preverjanje netlistov ali napredne teste/preglede (kot so rentgen za HDI).
• Skupaj pregledajte povratne informacije iz prototipa: Skupaj podrobno preučite prve izdelane vzorce glede na napake v lemilu, nepričakovano kapacitivnost/induktivnost ali točke motenj SI/EMI – in po potrebi izvedite ponovitve, preden povečate serijo.

Kontrolni seznam DFM in sodelovanja z izdelovalcem

Primer iz prakse: Reševanje donosnosti proizvodnje s pomočjo DFM

Brezžični IoT hub z 10-plastno mešano vezjo je spodletel pri preizkusu impedanc v diferencialnih USB linijah med prvo serijo izdelave. Vzrok: neodobrena zamenjava predpisanega preprega z nizkim Dk je povzročila odmik impedance žic iz 100 Ω na 115 Ω, kar je pomenilo neskladnost. Z neposrednim sodelovanjem s proizvajalcem, preverjanjem vseh materialov ter dodajanjem dokumentacije o postavitvi plasti v Gerber datoteke je konstrukcija uspela pri preizkusih SI in EMI/EMC v naslednji seriji – dosežen je bil donos 100 %.

10. Preizkušanje mešanih tiskanih vezij za zanesljivost

Temeljit preizkus je zadnja varovalka za mešano signalno PCB kakovost in celovitost signala . Tudi najbolj skrbno zasnovane plošče lahko vsebujejo proizvodne napake, težave z integracijo ali nepričakovane ranljivosti v resničnem svetu. Z uveljavljem celovitih strategij preverjanja, ki zajemajo tako analogni kot digitalni podsistem, zaščitite funkcionalnost, skladnost in dolgoročno zanesljivost svojega izdelka.

Zakaj je celovito testiranje kritično pomembno

Mešano-signalne tiskane vezne plošče edinstveno združujejo občutljivost analognih signalov in hitro digitalno stikala – kar ustvarja testno okolje, v katerem lahko celo majhne motnje ali parazitski učinki povzročijo napake na ravni sistema. Neopazene težave, kot so nihanje mase, prehodni pojavi napajanja ali utripanje ure, lahko pokvarijo mesece truda pri načrtovanju in ogrozijo zanesljivost v praksi.

Ključni tipi testov za mešano-signalne tiskane vezne plošče

1. Funkcijski test

• Namena: Preveri, ali analogni in digitalni tokokrog delujeta v skladu s projektantskimi specifikacijami.
• Metode:  
  • Vnesite znane analognе signale in preverite prenosne funkcije A/D in D/A pretvornikov glede na linearnost, razmerje signal/šum (SNR) in skupno harmonsko izkrivitev (THD).
  • Uporabite logične analizatorje in preskuševalnike protokolov za preverjanje digitalnih vodil (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) glede na pravilno časovno usklajevanje, prenose brez napak in skladnost s protokolom.
  • Uporabite zanke in samopreverjajoče programe za inicializacijo na ravni plošče.

2. Preizkus obremenitve zaradi okoljskih vplivov

• Namena: Odkrije skrite napake ali ranljivosti SI pri ekstremnih temperaturah, vlažnosti in tresenju.
• Metode:  
  • Spreminjanje temperature (npr. od –40 °C do +85 °C), z vklopljenim in izklopljenim napajanjem.
  • Preizkusi izpostavljenosti vlagnosti, še posebej pomembni za analogni vhod/izhod ali hitra I/O vodila, ki so izpostavljena okolju.
  • Simulacija tresenja in udarov – spremljanje izpadov signalov, nihanja mase ali težav s signalno integriteto, povezanih s priključki.

3. Preizkus skladnosti z EMC/EMI

• Namena: Z zagotavlja, da sevani emisiji in občutljivost plošče nahajajo znotraj regulativnih mej (FCC, CISPR, avtomobilska, medicinska industrija itd.).
• Metode:  
  • Sevane emisije: Skeniranje plošče v anehoični komori za merjenje elektromagnetnih motenj iz hrupnih ur, hitrih podatkovnih linij in napajalnih domen.
  • Prevodne emisije: Oceni, ali se šum vnaša na napajalne vode tiskanega vezja.
  • Preizkušanje odpornosti: Izpostavi vezje RF energiji ali ESD sunkom in preveri stabilno analogno/digitalno delovanje.

Pogosta oprema za preizkušanje mešanih signalov na tiskanih vezjih

Preizkusni postopek najboljše prakse

• Načrtuj točke testiranja v razporeditvi: Vključi analogni in digitalni dostop do testiranja—zagotovi nezastrte površine za osciloskop, logični sonda ali RF meritve.
• Zaženi simulacije SI/PI pred proizvodnjo: Preverite kritična omrežja v virtualnem prototipu, preden se odločite za strojno opremo.
• Prototip, odpravljanje napak in dokumentacija: Analizirajte zgodnje izvedbe glede razhajanj pri SI (zamanjšanje očesa, nihanje, hrup) ter beležite korake za ugotavljanje korenine vzroka/ukrepe za odpravo.
• Izvedite temeljito preskušanje skladnosti: Tudi izdelki brez uvrstitve imajo koristi od preskušanja EMI/EMC, ki pogosto razkrije nepričakovane težave s SI, povzročene napakami v postavitvi, ozemljitvi ali ekraniranju.
• Spremljajte med začetnim razmestitvijo: Povratne informacije iz resničnega sveta so neocenljive za stalno veljavnost SI, še posebej kadar aplikacije vključujejo spreminjajoče se okolje.