Hur kan optimerad flerskikts-PCB-design förbättra signalkvaliteten?

1. Inledning: Vikten av optimerad signalkvalitet i flerskikts PCB-design för mixed-signal

I dagens snabbt utvecklade elektroniklandskap har efterfrågan på kompakta, högpresterande enheter lett till integrering av både analoga och digitala kretsar på en enda mixed-signal PCB dessa kort driver allt från smarta industriella styrsystem till fordonss infotainmentsystem – och i centrum för deras funktion finns en avgörande aspekt: signalintegritet .

Signalkvalitet (SI) avser kvaliteten och tillförlitligheten hos elektriska signaler när de färdas över en kretskort. När en signal behåller sin avsedda form, spänning och tidsinställning under sin färd fungerar systemet som förväntat. Men med både höghastighets digital PCB sektioner och känsliga analog PCB domäner som samexisterar i en mixed-signal-layout, ökar hoten mot signalkvaliteten. Högfrekventa övergångar, switchningsbrus och parasiteffekter kan försämra signaler—vilket leder till korsprat , ground bounce , och förlust av datafidelitet. Konsekvenserna? Oförutsägbart kretsbeteende, elektromagnetisk störning ( EMI ), regleringsproblem och smärtsamma fördröjningar i tid-till-marknad.

Varför är signalintegritet så viktig i mixed-signal PCB?

Mixed-signal-kort står inför unika SI-utmaningar eftersom digitala kretsar genererar snabba flankhastigheter, spänningsväxlingar och pulserande strömmar som lätt kan förorena analoga vägar. En felaktig topp på en referens markplan eller en korrumperad klocka kan innebära imprecisa analoga mätningar, misslyckad ADC-integration , eller korrumperade datatransfer—alla särskilt allvarliga i säkerhetskritiska eller högupplösta applikationer.

Snabbfakta-tabell: Varför SI är viktigt i mixed-signal PCB

Vad den här guiden omfattar

I denna detaljerade guide får du lära dig:

• Grundläggande om mixed-signal PCB teknik
• Praktiska riktlinjer för SI-hantering (med nyckelord som kontrollerad impedans , differentialpar-routning , och jordningsstrategier )
• En 12-stegs process för att maximera prestanda och tillverkningsbarhet
• Avancerad behandling av via, lageruppbyggnad, avkopplingskondensatorer och mer
• Felsökningsråd och case-exempel
• De senaste verktygen för SI-simulering och PDN-analys

2. Vad är mixed-signal PCB-design?

A mixed-signal PCB är en kretskort som integrerar både analoga och digitala komponenter i en enda substrat. Denna sammanslagning gör att moderna enheter kan koppla samman den fysiska, analoga världen med den digitala domänen, vilket möjliggör allt från IoT-produkter rika på sensorer till avancerade elektroniska styrenheter i fordon.

Definiera mixed-signal-, analog- och digitala PCB-domäner

• Analoga PCB:n hantera kontinuerliga signaler—såsom ljud, temperatur eller spänningsnivåer. Dessa signaler är mycket känsliga för brus, korsljud och små spänningsvariationer.
• Digitala PCB:er bearbetar diskreta logiksignaler (0:or och 1:or). Även om de kan verka robusta är digitala kretsar—särskilt höghastighetskretsar—stora källor till elektromagnetiskt brus, jorddippning och samtidig switchning av utgångar (SSO).
• Design av mixed-signal-PCB avser layouter där dessa två världar måste samexistera, vilket kräver noggrann uppmärksamhet på signalintegritet , jordning och strömförsörjningsintegritet.

Typiska tillämpningar för mixed-signal-PCB:er

Mixed-signal-PCB:er är grunden för många kritiska system, inklusive:

• Industriell Automation: Realtidsstyrning med högpresterande sensorgränssnitt.
• Fordonssystem: Underhållningssystem, batterihantering, ADAS och motorstyrning.
• Konsumelektronik: Smartphones, bärbara enheter, ljudenheter och kameror.
• Medicinska enheter: Patientövervakningssystem, avbildningssystem och diagnostisk utrustning.
• Kommunikation: Routrar, sändare/mottagare, SDR och höghastighetsnätverksutrustning.

Tabell: Exempel på användningsområden för mixed-signal PCB

Varför är mixed-signal PCB-design utmanande?

Den främsta utmaningen är att hantera signalintegritet , eftersom:

• Digitala kretsar skapar snabba spänningsväxlingar (hög dV/dt, hög di/dt) som inducerar brus på delade jord- och strömförsörjningsnät.
• Analoga kretsar är sårbara för lågnivåbrus, även på mikrovolt-nivå, vilket kan orsaka SNR (signal-till-brus-förhållande) försämring och THD (total harmonisk distortion) i ADC:er.
• Klockor (som de som matas till ADC-integration ) och databussar korsar flera domäner, vilket leder till korsprat , diskontinuiteter i returledningen , och tidsfel.
• Dåligt implementerade jordningsstrategier och PCB-lageruppbyggnad kan förstärka dessa risker, särskilt i täta flerskiktskort.

Förstå nyckelkomponenter för mixed-signal

En lyckad mixed-signal-PCB uppnår:

• Isolering: Hålla analoga signaler fria från digital brus genom layout, delad jord eller skyddsringsstrukturer.
• Pålitlig omvandling: Se till att dina ADC:ar (t.ex. 12-bitars eller 16-bitars) och DAC:ar levererar noggranna, låg-jitter data genom att använda rena klockdistribution nätverk och optimerad avkoppling.
• Styrd impedans: Användning av 50 Ω enkelriktade eller 100 Ω differentiella ledningar för spår med hög datatarate med mikroband, stripline eller koplanära vågledarstrukturer.
• Effektiv strömförsörjningsnät (PDN): Minska rippel och upprätthålla stabila spänningar med lämpliga avkopplingskondensatorer och design av strömsplan.
• Skyddsskärm och EMI-hantering: Användning av via-stitching, kopparfyllnad eller Faradayburar i viktiga känsliga områden.

3. Viktiga utmaningar för signalintegritet i förbättrade mixed-signal PCB:er

Utforma en robust mixed-signal PCB är en delikat balansakt: den kräver noggrann samordning av analog känslighet och det outtröttliga arbetet med digital logik på en gemensam platta. När datatakter stiger och tätheten på kretskorten ökar, blir det inte bara utmanande – utan väsentligt att säkerställa robust signalintegritet (SI). Nedan diskuterar vi de främsta signalintegritetsutmaningarna som varje konstruktör av mixed-signal PCB måste hantera för att leverera tillförlitliga produkter med hög prestanda.

1. Korsljud och bruskoppling

När analoga och digitala spår löper nära varandra, särskilt över långa parallella sträckor, injicerar snabbt föränderliga digitala signaler brus i känsliga analoga ledningar genom ömsesidig kapacitans och induktans – ett fenomen som kallas korsprat . I höghastighetsdesigner kan detta orsaka betydande fel i analoga mätningar eller förstöra data. Dålig differentialpar-routning och ojämna impedanser fördjupar detta problem.

2. Ground Bounce och jordslingor

Ground bounce uppstår när höghastighetsdigitala utgångar växlar samtidigt, vilket orsakar plötsliga spänningsskift i jordplanet. Dessa skift (simultana switchande utgångar, eller SSO) är särskilt problematiska där analog- och digitaldelarna delar hela eller delar av ett jordplan. Detta resulterar inte bara i digitala tidsfel, utan stör även referensspänningar för analog-till-digital-omvandlare, operationsförstärkare och känsliga sensorer.

Jordloopar inträffar när det finns flera jordreturvagar, vilket bildar oönskade "antenner" som kan introducera brum, oscillation eller upptagning av elektromagnetisk interferens (EMI) från omgivningen. Det gör jordningsstrategier —såsom noggrann layout och enkel-punkts jordkoppling—avgörande för mixed-signal-kort.

3. Störningar i strömfördelningsnätet (PDN)

Fluktuationer på spänningsmatningsspåren, orsakade av snabba switchande laster (digitala IC:n, klockdrivrutiner), kan generera vattenfall och stötpuls av brus som kopplas direkt in i analoga matningsspår eller analoga referensingångar. Om avkopplande kondensatorer är otillräckliga, felplacerade eller har dåliga ESR-egenskaper, försämras kvaliteten på strömförsörjningen. En instabil PDN undergräver inte bara SI utan riskerar även ADC-upplösning (orsakar jitter, förlust av signalt-och-brusförhållande och till och med funktionsfel).

4. Impedansdiskontinuiteter och avbrott i returvänder

Höghastighetssignaler i digitala system beter sig som transmissionsledningar med styrd impedans (vanligtvis mikroband eller stripline), och varje diskontinuitet—till exempel en dåligt utformad via, kontakt eller uppdelad ström-/jordplan—kommer att orsaka signalreflektioner, stående vågor och impedansmatchning . På samma sätt måste returvänderna för både analoga och digitala signaler vara korta, direkta och fria från uppdelningar eller stubbar, annars uppstår reflektioner och signalförlust uppstår.

Tabell: Vanliga avbrott och deras effekter

5. EMI/EMC-utmaningar

Elektromagnetisk Störning (EMI) och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) är övergripande utmaningar, särskilt i kretsar med blandade signaler. Snabbediga digitala kretsar fungerar som EMI"sändare", medan analoga sensorer, RF-ingångar och ADC:er är sårbara "mottagare". Otillräcklig skärmning , dålig planlayout och brist på via-stitching kan förvandla en kretskort till en sändningsantenn, vilket riskerar att inte uppfylla regulatoriska certifieringskrav.

6. Signaltiming och klockdistribution

Oregelbunden klockdistribution eller överdriven klockjitter kan orsaka tidsmässiga förskjutningar (skew) mellan domäner, vilket leder till oförutsägbar latens, metastabilitet och datastrobingfel – särskilt vid klockdomänövergång . ADC:er och DAC:er är särskilt känsliga för klockbrus och jitter, vilket försämrar effektiv bandbredd och noggrannhet.

7. Otillräcklig simulering och föranalys före layout

Modern PCB-komplexitet gör det farligt att 'gissa sig fram' utan specialiserad SI-simulering och power integrity (PI) analys. Simuleringsverktyg (som HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) tillåter en konstruktör att förutse och rätta till subtila problem—såsom längdavvikelser, avbrott i returvägar, parasitkapacitans och värmebottnar—långt innan produktionen påbörjas.

4. Bästa praxis och viktiga överväganden

Att designa en mixed-signal PCB med exceptionell signalintegritet kräver en nyanserad, helhetsorienterad ansats. Varje beslut—from staplingsordning till effektfördelning—kan påverka kortets slutgiltiga prestanda i praktisk användning. I detta avsnitt kommer du att upptäcka väsentliga, genomförbara bästa praxis som behandlar både designgrundval och avancerade tekniker för analog/digital integration.

1. Planera uppdelning av kretskortet tidigt

Tydlig funktionell separation är avgörande. Tilldela dedikerade områden för analog PCB och digital PCB kretsar under schematisk inmatning och layoutplanering. Fysiskt avstånd minskar störningskoppling, jordbåge och korsljud mellan domäner avsevärt. En tumregel: kör aldrig digitala klocksignaler eller höghastighetssignaler under eller i närheten av känsliga analoga komponenter.

Nyckelåtgärder:

• Placera AD-omvandlaren, sensorer och analoga förstärkare så långt som möjligt från oscillatorer, FPGAs, switchade regulatorer och högfrekventa kristallkällor.
• Orientera stora digitala databussar så att de är vinkelräta mot kritiska analoga signalvägar för att begränsa kapacitiv koppling.

2. Optimera din PCB-lageruppbyggnad

PCB-lageruppbyggnad påverkar allt från EMF-immunitet till impedanskontroll. Använd en lagerstruktur som inkapslar höghastighetsignallager mellan fasta, oavbrutna jordplan (och där det behövs, strömförsörjningsplan). Detta skapar inte bara transmissioner med kontrollerad impedans utan gör det också möjligt med korta, direkta returvagar för snabba transienta strömmar.

3. Huvudstrategier för jordning

Jordning är grunden för signalintegritet i mixed-signal-kretsar. Det finns generellt två tankesätt:

• Enkelansluten (stjärn)jordning: En dedikerad koppling länkar analog och digital retur på ett kontrollerat sätt – särskilt effektivt för låg- och medelfrekventa konstruktioner.
• Kontinuerlig jordplan: För högre hastighet/frekvensdesigner erbjuder ett fast, sammanhängande kopparplan med noggrann segmentering (om det behövs) de kortaste returvägarna och minst EMI-generering.

Bästa jordningstekniker för mixed-signal-kort:

• Undvik jordslingor genom att säkerställa en enda returvänd för varje kretsfunktion.
• Dela inte jordplan godtyckligt. Dela endast om det är absolut nödvändigt, och anslut alltid vid en enda punkt med låg impedans under ADC:n eller huvudomvandlaren.
• Använd skyddsringslayout eller kopparfyllnad runt högimpediva analoga ledningar och kritiska analoga kretsar för ytterligare skärmning.

4. Kontrollera impedans och använd differentiell par-routning

Högfrekventa digitala spår måste routedas som kontrollerad impedans ledningar, anpassade till gränssnittets krav (50 Ω enkelriktad, 100 Ω differentiell typiskt). Detta minimerar signalljusning och stående vågor. För differentiell signalering (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) är avstånd och längdanpassning av spår avgörande.

5. Säkerställ robust kraftfördelning och avkoppling

Din kraftfördelningsnätverk (PDN) förtjänar allvarlig ingenjörsinsats.

• Använd separata regulatorer eller filtrerade domäner för analoga och digitala spänningsskenor. Lågbrusiga LDO:er (linjära regulatorer) för analog, switchregulatorer (SMPS) för digitala laster, filtrerade vid behov.
• Placera avkopplingskondensatorer strategiskt (inklusive flera värden för hög/lågfrekvent filtrering) så nära som möjligt till IC:s strömförsörjningspinnar. Välj kondensatorer med låg ESR och använd en blandning av keramiska MLCC-kondensatorer (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF, etc.).
• Använd ferritperlor eller små isolerande induktorer mellan analoga och digitala plan/railar.

Exempel på avkopplingstabell

6. Ge prioritet åt EMI/EMC-hantering

Anta en flerskiktad strategi:

• Använd skärmhöljen och metallhus för högrisk-analog och RF-sektioner.
• Viaförbindelser (regelbundet placerade jordvias) runt analoga sektioner och längs kanterna på kortet låser in returströmmar, vilket minskar EMI "läckage".
• Omsorgsfull klockroutesignaler klockledningar bör vara korta, förlagda bort från analoga områden och skärmade med intilliggande jordspår eller plan. Undvik att föra klocksignaler över uppdelade eller slitna jordområden för att förhindra strålning.

7. Validera med simuleringsverktyg och DFM-kontroller

Gissa inte – simulera! Använd SI-simulering och PDN-analysverktyg verktyg (som HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity eller inbyggda verktyg i Altium/OrCAD) för att utvärdera:

• Signalögdagram
• Korsljudsförutsägelser
• Integritet i returvägar
• Brus i matning och jord
• Termiska hotspots/hantering

5. 12 steg för en optimerad effektiv blandad signal PCB-design

Mästra signalintegritet med en praktisk, steg-för-steg-process ligger till grund för design av blandade signaler i kretskort som fungerar tillförlitligt under verkliga förhållanden. Nedan går vi igenom 12 beprövade steg – varje steg speglar branschens bästa praxis, vanliga fallgropar och genomförbar teknisk kunskap.

Steg 1: Separera analoga och digitala sektioner tidigt

1.1 Identifiera analoga och digitala domäner

• Granska ditt kopplingsschema för att kategorisera komponenter som helt analoga, digitala eller blandade signaler (till exempel ADC:ar, DAC:ar, CODEC:ar).
• Ange varje krets funktion: lågbrus analog, digital logik, höghastighetsklockning, etc.

1.2 Strategisk placering

• Fysiskt isolera analoga och digitala områden på kretskortslayouten.
• Led analoga signaler bort från digitala bussar och undvik att föra digitala spår under analoga integrerade kretsar.
• Använd serigrafiska markeringar eller kopparmarkeringar för att visa gränser, vilket underlättar montering och felsökning.

Steg 2: Välj komponenter med lämpliga gränssnitt

När du integrerar olika delsystem, förbättrar valet av rätt gränssnittsprotokoll både prestanda och signalintegritet .

Vanliga gränssnitt och bästa användningsområden

Steg 3: Förbättra ADC-funktionalitet för noggranna mätningar

3.1 Välj rätt ADC för uppgiften

• Överväga nyckelspecifikationer för ADC upplösning (12, 16, 24 bitar), SNR, THD, maximal samplingshastighet, ingångsimpedans, referensspänningsstabilitet.
• Välj en arkitektur anpassad till tillämpningen: SAR, Sigma-Delta eller Pipeline ADC:er.

3.2 Se till att klockor är stabila och isolera bruskällor

• Använd oscillatorer med låg jitter. Klockjitter försämrar det effektiva antalet bitar (ENOB) i höghastighets-ADC:er.
• Isolera fysiskt klockspåren från bullriga digitala bussar.
• Avkoppla ADC:n matning med kondensatorer med låg ESR.

3.3 Håll referensspänningar rena

• Placera referenskondensatorer (10–100 uF, plus 0,1 uF keramiska) nära ADC:s Vref-pinne.
• Skyddsringsledningar runt referensledningar minskar ytterligare bruskoppling.

Steg 4: Designa en effektiv PCB-lageruppbyggnad

En noggrant utformad PCB-lageruppbyggnad utgör grunden för framgång i mixed-signal.

• Placera höghastighetssignallager intill fasta referensplan.
• Undvik att dela jord- eller spänningsplan under routed signaller.
• Bevara symmetri i uppbyggnaden för att minimera böjning/vridning och stödja korsljudsuppression.

Steg 5: Genomför effektiva jordningsstrategier

• Enkelanslutning mellan analog och digital jord (vanligtvis vid ADC).
• Använd solida, breda kopparytor/segment för jordledningar – minimera motstånd och induktans.
• Anställa skyddsspår och kopparytor runt känsliga analoga signaler.

Steg 6: Optimera strömförsörjning och avkoppling

6.1 Använd dedikerade strömförsörjningar

• Separata analoga och digitala spår. Använd LDO:er för analog, switchning/ferritfiltrering för digital.
• Försörj ADC:er och andra högprestandakomponenter från så ren ström som möjligt.

6,2 Avkopplingskondensatorer för brusfiltrering

• Placera en kombination av högfrekventa (0,01–0,1 µF) och stora (1–10 µF) MLCC-kondensatorer vid varje integrerad krets.
• Minimera slingarean genom att hålla ledningarna från kondensator till pinne så korta som möjligt.

Steg 7: Effektiv routning av analoga och digitala spår

• Korsa aldrig analoga och digitala spår —behåll lagerindelad, segregationad routning.
• Undvik att föra höghastighetsspår över återförda strömstörningar eller luckor i jordplanet.
• Anpassa spårlängder för höghastighets-/differentiella par; använd impedansberäknare för exakta bredder.

Steg 8: Implementera strategier för termisk hantering

• Identifiera komponenter som genererar värme (regulatorer, högströmsdrivare, processorer).
• Användning termiska Vias och dedikerade kopparutgjutningar (termiska plattor) för att leda bort värme till inre eller motsatta lager.
• Överväg tvungen luftkylning, kylflänsar eller till och med inbäddad koppar om effekttätheten är hög.

Steg 9: Synkronisera klockdistribution för att förbättra designs med blandad signalbehandling

• Fördela klocksignaler med låg-skew-buffertar.
• Ruta klockor med korta, direkta spår, skyddade av jordplan.
• Undvik klockspår över uppdelade jordningar—behåll sammanhängande referensplan.

Steg 10: Implementera skärmning för brusminimering

• Användning Faradayburar , metalliska skärmdunkar eller solidkopparlådor för särskilt bruskänsliga analog/RF-avsnitt.
• Fäst jordviaer tätt runt inneslutna områden och längs kanterna på kretskortet.

Steg 11: Simulera blandad-signal flerskikts PCB-design

• Använd SI/PI-simuleringsverktyg (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) för att analysera:
  • Impedanskontinuitet
  • Ögon-diagram och jitter
  • Kraftripple
  • Returväge och korsljudsrelaterade sårbarheter

Steg 12: Förbered och ladda ner produktionsfiler

• Granska och slutför lageruppbyggnadsritningar, nyckelmaterialspecifikationer (t.ex. tjocklek av koppar , dielektriska konstanter, typ av viaförbindelser).
• Säkerställer impedanskontroll och testpunktsmarkeringar är tydliga i Gerber-filerna.
• Lägg till kommenterade referenser för skärmning, via-stitching och termiska viaförbindelser.
• Inkludera en omfattande netlista och funktionsmässig teståtkomst för båda domänerna.

6. Förståelse av viaförbindelser och deras inverkan på signalkvalitet

Vias —de små vertikala anslutningarna som kopplar samman lager i en mixed-signal PCB —ignoreras ofta som en orsak till dålig signalintegritet . Men när klockfrekvenser överskrider hundratals MHz eller till och med når GHz-området får viastruktur en alltmer betydande effekt på allt från transmissionsledningsimpedans till korsljud och jordbåge. För robust prestanda vid hög hastighet eller analog användning är det avgörande att förstå och optimera viaegenskaper.

Typer av via och deras roller i blandad signalkrets

Via förekommer i olika format, var och en med specifika effekter på signalkvaliteten:

Påverkan av via-induktans och kapacitans

På en typisk hög hastighets PCB , genom induktans och kapacitet kallas samlingsnamn för parasitelement —oavsiktliga bieffekter som förvränger snabba flanksignaler. Dessa effekter är särskilt problematiska i kontrollerad impedans (t.ex. 50 Ω enväg, 100 Ω differentiell) miljöer.

Nyckeleffekter:

• Parasitisk induktans orsaker:
  • Långsammare flanker, högfrekvensförlust
  • Reflektioner, signalöversväng och ringning
• Parasitkapacitet orsaker:
  • Lokala impedansdipp, förvrängning vid snabba flanker
  • Ökad korsljudning mellan via eller till angränsande plan

Exempel: 10 Gbps datalinje

En via med en 1 mm stub (ouppkopplad ände inuti PCB:n) kan introducera en resonans vid flera GHz, vilket kraftigt förvränger ett 10 Gbps seriellt signal. Att ta bort eller förkorta denna stubb (genom via back-drilling eller användning av blinda mikrovia) återställer signalamplitud, ögonbredd och tidsjitter inom specifikationerna.

Strategier för via-optimering och signalintegritet

Att optimera användningen av via är ett av de mest effektiva besluten i höghastighets- och mixed-signal PCB:n. Här följer viktiga riktlinjer:

• Minimera antalet via längs alla kritiska höghastighetsspår eller känsliga analoga spår.
• Använd mikrovia eller korta blinda via istället för långa genomborrade via i GHz+ ledningar.
• Undvik via-stubs :

• • Använd om möjligt back-drilling för att ta bort överskottigt via-skaft under den aktiva lagret.
  • Eller begränsa via-övergångar till "lager-till-lager" utan orörliga ändar.

• Optimera placering av via :

• • Bevara symmetri i differentiella par.
  • Håll höghastighetsvia nära referensjordvia (via stickning) för att minimera slingområde och stödja returvagar.

• Närhet till jordplan : För digitala och blandade signaler, placera alltid en jordvia nära varje signallvia, vilket minskar risken för utstrålad EMI.

Tabell: Riktlinjer för viaoptimering

Proportionsöverväganden för tillverkbarhet och SI

Formelförhållande (hålens djup i förhållande till diameter) påverkar både tillverkbarheten och signalkvaliteten. Höga proportionsförhållanden gör plätering opålitlig (risk för tomrum eller öppna kanaler) och ökar viaimpedansen, särskilt i HDI-konstruktioner.

• Rekommenderat proportionsförhållande: ≤10:1 för standard genomborrad via; mycket lägre för mikrovia
• Användningsfall: För en 1,6 mm tjock PCB krävs minst 0,16 mm (6,3 mil) via-borrning för säker plätering

SI-exempel: Mikrovia jämfört med genomborrad via vid höghastighetsseriell överföring

En telekomkonstruktör som integrerade en 12-lagers blandad signalryggplatta ersatte gamla genomborrade vias för ett 6,25 Gbps SerDes-par med backborrade blinda mikrovias. Ögonmönstrets jitter minskade med 31 %, korsljudet (vid 5 GHz) halverades och konstruktionen klarade EMF-test redan i första omgången – vilket bevisar de direkta SI-fördelarna med modern via-strategi.

Sammanfattning av bästa praxis

• Välj viatyper och strukturer baserat på signalintegritet krav, tillverkningsbarhet och kretskortsuppbyggnad.
• Simulera (med Ansys SIwave, HyperLynx eller Altiums SI-verktyg) eventuell via-koppling, resonans eller reflexionsrisk – särskilt på linjer över 500 Mbps eller kritiska analoga signaler.
• Balansera alltid SI-krav med DFM-feedback från din PCB-tillverkare för tillförlitliga produktioner.

7. Strategier för jordplan i höghastighets- och mixed-signal-PCB

En korrekt konstruerad markplan är den tysta väkten av signalintegritet i varje högpresterande mixed-signal PCB . När digitala hastigheter ökar och analog precision stiger blir jordningssystemet den kritiska returvägen för varje signal, skölden mot EMI och referenspunkten för "noll volt" för alla analoga och digitala mätningar. Ändå kan subtila fel i layouten av jordplanet tyst sabotera även de mest avancerade designerna.

Jordplanens roll i mixed-signal-PCB

I både analog PCB och digital PCB delar, har jordplanet tre väsentliga funktioner:

• Returväg för signal: Säkerställer lågimpedanta, direkta vägar mellan källa och last för både höghastighetsdigitala och känsliga analoga signaler.
• EMI-suppression: Ger en kontinuerlig skärm som absorberar och innesluter utstrålade emissioner, vilket begränsar både intern korskoppling och upptagning av extern störning.
• Referensstabilitet: Upprätthåller en konsekvent spänningsreferens, avgörande för ADC-integration och exakta analoga mätningar.

Bästa metoder för implementering av jordplan

1. Använd ett solidt, oavbrutet jordplan

• Avsätt en hel lager (eller flera lager) till obrotten mark.
• Undvik att skära, slitsa eller segmentera detta plan under signalledningar.
  • Faktum: Alla springor eller avbrott i jordplanet under en höghastighetsledning tvingar returströmmar att ta omvägar, vilket drastiskt ökar slingområdet, EMI och känslighet för brus.
• Placera höghastighets- och högupplösningsanaloga kretsar direkt ovanför sitt referensjord, vilket förkortar returslingor och minimerar parasitisk induktans.

2. Separera analoga och digitala jordplan – med disciplin

• För många mixed-signal PCB:s är det klokt att logiskt (inte alltid fysiskt) separera analoga och digitala jordplan, och koppla samman dem i en enda stjärnpunkt —ofta direkt vid ADC eller DAC. Detta förhindrar att brusiga digitala returströmmar förorenar analoga referenser.
• Använd fysiska separationer endast om nödvändigt ; aldrig separera utan skäl, och se alltid till att det finns en lågimpedant "bro" vid de viktigaste konverterings-/gränssnittspunkterna.
• Undvik långa parallella sträckor av analoga och digitala jordbanor som kan fungera som antenner.

3. Sy ihop jordplan med viaförbindelser

• Användning viaförbindelser runt skärmade zoner, korts kanter och intill höghastighetssignalens viaförbindelser. Tätt placerade (≤2 mm) jordviaförbindelser ger effektiv inneslutning av EMI och förkortar signallöpens returlöp.
• För differentiella eller höghastighetspar som korsar plan, se till att det finns jordviaförbindelser bredvid signalviorna för korrekt styrning av returström.

4. Använd flerskikts jordplan för kritiska applikationer

• Flerskikts PCB (t.ex. 4, 6 eller fler lager) bör alltid ha mer än ett jordplan för lågimpedansretur och ytterligare skärmning. Överväg "jordsandwich"-lösningar med två jordplan som omger ett signallager.
• Exempel på lageruppbyggnad:  
  • Lager 2: Heltäckande jord för digitala signaler
  • Lager 4: Analog jord (kopplad vid ADC-stjärnpunkt)
  • Lager 6: Chassijord eller skärmjord (för hölje eller RF-applikationer)

Praktiska riktlinjer för jordplan – Tabell

8. Strömintegritet: Säkerställa ett rent strömförsörjningsnät

Design för robust strömförsörjningsintegritet (PI) handlar inte bara om att leverera spänning till dina enheter – det handlar om att säkerställa att varje känslig analog front-end, varje höghastighetssignal och varje precisionomvandlare alltid får en störfri, stabil strömförsörjning under alla verkliga belastningsförhållanden. I blandad-signal PCB-design är kraftfördelning strategier lika viktiga som signalintegritet jordning och impedanskontroll.

Varför strömförsörjningsintegritet är viktig i blandad-signal PCB:er

Ett brusigt eller svagt strömförsörjningsnätverk (PDN) kan urholka den bästa analoga eller digitala layouten. Tänk på:

• Spänningsvågningar i strömförsörjningen kan kopplas direkt in i ADC-integration , vilket minskar effektiv upplösning och signalmot-brusförhållande (SNR) samt orsakar jitter på klockade gränssnitt.
• Tillfälliga spänningsfall ("jorddipp") från snabb digital switching skapar ground bounce eller korsljud, som analoga kretsar kan förstärka eller demodulera.
• Ostillräcklig avkopplande kondensatorer eller dåligt placerade stora kondensatorer kan tillåta att spänningsmatningar svänger eller resonera, vilket potentiellt kan förstöra logiknivåer och sensormätningar.

Strategier för ren strömförsörjning

1. Separera analoga och digitala strömdomäner

• Använd separata analoga och digitala matningar närhelst det är möjligt. Matning av den analoga domänen bör ske från lågbrusiga linjära regulatorer (LDO), medan högeffektiva switchade matningsaggregat (SMPS) kan användas för digitala domäner.
• För kritiska sensorer eller högupplösta AD-omvandlare, lägg till ett extra analogt matningsfilter (LC- eller ferritkärna med kondensator).
• Separera fysiskt analoga och digitala strömsplan eller ytor för ytterligare isolering av känsliga delar.

2. Använd PDN-analys och impedansmål

• Definiera och simulera din PDN med PDN-analysverktyg verktyg (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys, etc.) för att säkerställa att alla kretsar får stabil spänning vid maximal belastningsökning.
• Upprätta en impendansmål (Z_target) för varje spänningsnivå. För modern logik (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V-nivåer) kan detta vara så lågt som 10–20 mΩ för högströmsvägar.

3. Lagrad placering av avkopplingskondensatorer

• Placera en kombination av MLCC-kondensatorer (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) så nära som möjligt till varje strömpinne – helst direkt under eller intill via kortaste vägen.
• Använd större storkondensatorer (10 μF, 22 μF, tantal eller keramik) fördelade nära grupper av integrerade kretsar eller vid ströminmatningen.
• För höghastighetsdigitala kretsar (FPGA, MCU, DDR) använd ytterligare lokal avkoppling för att minska brus från samtidig switchning (SSO).

Exempel: Tabell över avkopplingskondensatorer för blandad signal PCB

4. Minimera impedans och resonans i strömförsörjningsplan

• Maximera kopparskiktets tjocklek (≥1 oz/ft²) och yta för kritiska analoga spänningsrailer för låg resistans.
• Håll plane-former enkla och oavbrutna. Undvik smala sträckningar eller utskott som ökar lokal impedans.
• Ruta korta, breda ledare från källan (regulator) till lasten, utan att passera genom högbruszon.
• Undvik att lägga höghastighetssignalledare över bullriga eller uppdelade strömförsörjningsplan så mycket som möjligt.

5. Ferritperlor, LC-filter och isolering

• Lägg till ferritperlor på ingångar till analoga spänningsrailer för att blockera digital switchning (t.ex. brus från MCU-kärnor, klockkretsar).
• Använd LC Pi-nätverksfilter för ultra-lågbrusade ADC-skenor eller sensors excitering.

Fallstudie: Lösning av ADC-brus i en mixed-signal-kort

En industriell IoT-sensormodul visade slumpmässiga toppar i analoga mätningar när trådlös sändare startade överföring av höghastighetsdata. PDN-analys avslöjade att höga switchströmmar kopplades genom en delad 3,3 V-skena, vilket påverkade ADC-referensen. Efter att ha lagt till en ferritperla, ytterligare lokal avkoppling och separerat den analoga VREF från digital VCC förbättrades ADC:s signal-stöjsförhållande (SNR) med 22 dB och brustopparna försvann helt.

9. Utformning för tillverkningsanpassning och samarbete med tillverkare

Oavsett hur sofistikerad din mixed-signal PCB design eller hur noggranna dina signalintegritet simuleringar är, så beror kretskortets framgång slutligen på hur väl det kan tillverkas, testas och monteras av din valda tillverkare. Design för tillverkning (dfm) —och konsten att samarbeta med PCB-tillverkare—säkerställer att alla dina SI-ambitioner översätts sömlöst till verklig, pålitlig hårdvara.

Varför DFM är avgörande för framgång med mixed-signal PCB och SI

Moderna mixed-signal PCB använder ofta komponenter med fin pitch, HDI-uppbyggnader, exakt impedanskontroll, täta via-uppställningar och krävande layouter för ström/jord. Om din design inte ger högkvalitativa produkter i stora serier – eller regelbundet kräver omarbete på grund av outillverkbara funktioner – så slösas alla dina insatser för signalintegritet bort.

Viktiga DFM-överväganden för mixed-signal- och höghastighetsdesigner

1. Uppbyggnad och materialtillgänglighet

• Verifiera din önskade PCB-uppbyggnad med din leverantör innan layouten låses – fråga om uppnåelig lagerantal, minsta dielektriska tjocklek och kopparvikter.
• Använd material som tillverkaren har i lager (FR-4, Rogers, laminat med låga förluster) som uppfyller dina SI-mål för kontrollerad impedans, låg korskoppling och hög isolering.
• Bekräfta symmetri i uppbyggnaden (för att minimera vridning), särskilt för höghastighets- och HDI-kort.

2. Typer av via, aspect ratio och borrgränser

• Dela med dig av din projekts via-krav (genomgående, mikrovia, blinda/begravda) och se till att din design passar fabrikationsmöjligheterna.
• Håll dig till aspektförhållanden ≤10:1 för genomgående hål eller använd stegrad/staplade mikrovias för HDI.
• Minimera "särskilda bearbetningssteg" (t.ex. back-drilling av stubbar) om det inte absolut krävs för signalkvalitet—då dessa ökar kostnaden och kan minska utbyte.

3. Impedanskontroll—Från simulering till verklighet

• Kommunicera önskade impedansvärden för alla transmissionsledningar (50 Ω, 100 Ω diff, etc.) och hänvisa till ditt lageruppbyggnad i dina fabrikationsanteckningar.
• Begär testkopplingar eller mellanliggande impedansmätningar för att verifiera att kritiska nät uppfyller specifikationerna.
• Bekräfta fabrikens förmåga att utföra precisionsätning, plätering och dielektrikumskontroll.

4. Koppartjocklek, annulärt ring och spårvidd/avstånd

• Ställ in spårbredd/avstånd och koppartjocklek enligt IPC-riktlinjer och tillverkarens begränsningar.
  • För känsliga analoga och strömslingor, överväg att använda ≥1 oz/ft² koppar för robust PI och låg spänningsdrop.
• Se till att ringformade zoner runt via (för pläteringspålitlighet) uppfyller tillverkarens minimikrav.
• Verifiera minsta klarhet för lödmask—särskilt i täta mixed-signal- och BGA-områden.

5. Test- och provningsåtkomst

• Inkludera testpunkter på både analoga och digitala noder; samarbeta med din monterare för att säkerställa att fixturerna kan nå alla kritiska nät utan hinder från höga komponenter, kontakter eller skärmdunkar.
• Utforma för in-kretstestning och funktionskontroll—dessa funktioner upptäcker ofta SI- eller monteringsfel.

Samarbeta effektivt med PCB-tillverkare

• Dela information tidigt och ofta: Lämna stack-up, impedansmål, viktiga layouter och täthetskartor till din tillverkare så snart som möjligt.
• Begär DFM-granskning: Bjud in till feedback om eventuella "varningsflaggor" (t.ex. ouppnåeliga strukturer, begränsade kopparavstånd, utmaningar med värmeledning).
• Fråga om värdeadderingar i processen: Vissa tillverkare erbjuder in-house SI-simulering, automatiserad netzonsverifiering eller avancerad test/inspektion (såsom röntgen för HDI).
• Granska prototypfeedback tillsammans: Undersök första serieproduktionen gemensamt för att upptäcka löddefekter, oväntad kapacitans/induktans eller SI/EMI-hotpunkter—och iterera vid behov innan skalning.

DFM & Tillverkarsamarbetschecklista

Exempel från verkligheten: Lösning av produktionens utbyte med DFM

En trådlös IoT-hubb med en 10-lagers blandad signal-PCB misslyckades med impedanstestning på sina differentiella USB-ledningar under den första tillverkningsomgången. Rotorsaken: ej godkända ersättningar för det specifierade låga-Dk preimpregnerade materialet orsakade att spårimpedansen avvek från 100 Ω till 115 Ω, vilket bröt mot kraven. Genom direkt samarbete med tillverkaren, verifiering av alla material och tillägg av dokumentation för lageruppbyggnad i Gerber-filerna klarade konstruktionen både SI- och EMI/EMC-testerna i nästa omgång – vilket resulterade i 100 % utbyte.

10. Testning av blandad signal-PCB för tillförlitlighet

Grundlig testning är den sista säkerhetsåtgärden för mixed-signal PCB kvalitet Och signalintegritet . Även de noggrannast utformade kretskort kan innehålla tillverkningsfel, SI-problem eller oväntade sårbarheter i verkligheten. Genom att tillämpa omfattande verifieringsstrategier som täcker både analoga och digitala delsystem skyddar du din produkts funktionalitet, överensstämmelse och långsiktiga tillförlitlighet.

Varför omfattande testning är avgörande

Kretskort med blandade signaler kombinerar unikt känslighet i den analoga delen med höghastighetsdigital växling – vilket skapar en testmiljö där även små störningar eller parasiteffekter kan orsaka systemnivåfel. Oupptäckta problem som jordstuds, spänningsvariationer eller klockjitter kan förstöra månader av designarbete och underminera driftsäkerheten i fält.

Viktiga typer av tester för kretskort med blandade signaler

1. Funktionalitetstest

• Syfte: Verifierar att både analog och digital krets fungerar enligt konstruktionsspecifikationerna.
• Metoder:  
  • Injicera kända analoga signaler och kontrollera ADC/DAC-överföringsfunktioner vad gäller linjäritet, signaltill-brus-förhållande (SNR) och total harmonisk distortion (THD).
  • Använd logikanalysatorer och protokolltestare för att verifiera digitala bussar (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) vad gäller korrekt tidsinställning, felfria överföringar och efterlevnad av protokoll.
  • Använd loopback-mönster och självkontrollerande fastvarurutiner för initiering på kretskortsnivå.

2. Miljöpåfrestningstest

• Syfte: Avslöjar dolda defekter eller SI-sårbarheter vid extrema temperaturer, fukt och vibrationer.
• Metoder:  
  • Temperaturcykling (till exempel –40 °C till +85 °C), med och utan ström.
  • Fukttillsatsprov, särskilt viktiga för analoga frontändar eller höghastighets-I/O som utsätts för miljön.
  • Simulering av vibration och stöt – spårning av signaldropouts, jordgångsproblem eller SI-problem relaterade till kopplingar.

3. EMI/EMC-konformitetstest

• Syfte: Ser till att brädans emissioner och känslighet ligger inom regulatoriska gränser (FCC, CISPR, fordonsindustri, medicinsk utrustning etc.).
• Metoder:  
  • Strålade emissioner: Skanna kretskortet i en ekofri kammare för att mäta EMI från bullriga klockor, snabba dataledningar och strömdomäner.
  • Ledningsbunden emission: Utvärdera om brus injiceras på kretsens strömförsörjningsledningar.
  • Immuntestning: Exponera kretsen för RF-energi eller ESD-pulser och bekräfta stabil analog/digital drift.

Vanlig utrustning för test av mixed-signal PCB

Bästa praxis för testprocedur

• Planera testpunkter i layout: Inkludera både analog och digital åtkomst – se till att det finns oblockade områden för oscilloskop, logikprob eller RF-mätning.
• Kör SI/PI-simuleringar före produktion: Validera kritiska nät i den virtuella prototypen innan du går över till hårdvara.
• Prototyp, felsök och dokumentera: Analysera tidiga versioner för avvikelser i SI (ögonslutning, jitter, brus) och logga orsakssökning/korrigering.
• Utför omfattande efterlevnadstestning: Även produkter utan klassificering drar nytta av EMI/EMC-testning, vilket ofta avslöjar oväntade SI-problem orsakade av layout-, jordnings- eller skärmningsfel.
• Övervaka under inledande distribution: Verkliga fältkommentarer är ovärderliga för kontinuerlig SI-validering, särskilt när applikationer innefattar föränderliga miljöer.