Як оптимізований дизайн багатошарових друкованих плат може покращити цілісність сигналу?

1. Вступ: Важливість оптимізованої цілісності сигналу в проектуванні багатошарових друкованих плат змішаних сигналів

У сучасному швидкозмінному світі електроніки попит на компактні пристрої з високими характеристиками спричинив інтеграцію аналогових і цифрових кіл на одній друкованій платі змішаних сигналів . Ці плати живлять усе — від розумних промислових контролерів до автомобільних інформаційно-розважальних систем, — а в центрі їхньої роботи лежить один надзвичайно важливий аспект: цілісність сигналу .

Цілісність сигналу (SI) вказує на якість та надійність електричних сигналів під час їх проходження через друковану плату. Коли сигнал зберігає свою задану форму, напругу та часові параметри протягом усього шляху, система працює так, як очікується. Однак, за наявності високошвидкісних цифрових друкованих плат ділянок і чутливих аналогових друкованих плат домени, що існують одночасно на компонуванні змішаних сигналів, загрожують якості сигналу. Високочастотні переходи, комутаційний шум і паразитні ефекти можуть погіршувати сигнали — що призводить до загальна модуляція , стрибки землі , та втрати достовірності даних. Наслідки? Непередбачувана робота схеми, електромагнітні перешкоди ( ЕМІ ), проблеми з дотриманням нормативних вимог та болючі затримки виведення продукту на ринок.

Чому цілісність сигналу так важлива в платах змішаних сигналів?

Плати змішаних сигналів стикаються з унікальними проблемами цілісності сигналу, оскільки цифрові схеми створюють швидкі фронти, стрибки напруги та імпульсні струми, які легко можуть забруднювати аналогові ланцюги. Випадковий спайк на опорному опорна площина або спотворений тактовий сигнал може означати неточні аналогові вимірювання, невдачу Інтеграції АЦП або спотворені передачі даних — особливо критично в застосунках, де важливі безпека або висока роздільна здатність.

Таблиця корисних фактів: чому цілісність сигналу важлива в платах змішаних сигналів

Що висвітлено у цьому посібнику

У цьому детальному посібнику ви дізнаєтеся:

• Основи друкованій платі змішаних сигналів інженерія
• Практичні найкращі практики керування SI (з ключовими словами, такими як контрольоване хвильове опір , маршрутизація диференційної пари , а також стратегії заземнення )
• 12-кроковий процес для максимізації продуктивності та технологічності
• Розширена інформація про переходи, структури шарів, конденсатори розв’язування та багато іншого
• Поради щодо усунення несправностей та приклади випадків
• Найновіші інструменти для Симуляції СІ та Аналіз PDN

2. Що таке проектування аналогово-цифрових друкованих плат?

A друкованій платі змішаних сигналів — це друкована плата, яка інтегрує аналогові та цифрові компоненти в єдину основу. Це поєднання дозволяє сучасним пристроям з'єднувати фізичний — аналоговий — світ із цифровою областю, забезпечуючи все: від IoT-пристроїв із великою кількістю датчиків до передових електронних блоків керування в автомобілях.

Визначення доменів аналогово-цифрових, аналогових та цифрових друкованих плат

• Аналогові друковані плати обробляють неперервні сигнали — такі як аудіо, температура або рівні напруги. Ці сигнали дуже чутливі до шумів, перехідних впливів та мікронапруг.
• Цифрові друковані плати обробляють дискретні логічні сигнали (0 та 1). Хоча вони можуть здаватися стійкими, цифрові схеми — особливо високочастотні — є основним джерелом електромагнітних перешкод, коливань заземлення та одночасного перемикання виходів (SSO).
• Дизайн друкованих плат ізі змішаними сигналами стосується розташування, де ці дві сфери мають співіснувати, що вимагає складного підходу до цілісність сигналу , заземлення та цілісності живлення.

Типові застосування друкованих плат ізі змішаними сигналами

Плати ізі змішаними сигналами є основою багатьох критичних систем, зокрема:

• Промислова автоматизація: Керування в реальному часі з інтерфейсами високоточних датчиків.
• Автомобільні системи: Бортові розважальні системи, управління акумулятором, система адас та керування двигуном.
• Споживча електроніка: Смартфони, носимі пристрої, аудіопристрої та камери.
• Медичні пристрої: Монітори пацієнтів, системи візуалізації та діагностичне обладнання.
• Зв'язок: Маршрутизатори, передавачі, SDR та обладнання для високошвидкісної мережі.

Таблиця: Приклади застосування аналогово-цифрових друкованих плат

Чому проектування комбінованих аналогово-цифрових PCB є складним?

Основна проблема полягає в управлінні цілісність сигналу , оскільки:

• Цифрові схеми створюють швидкі стрибки напруги (високий dV/dt, високий di/dt), що викликають шум на загальних заземленнях і мережах живлення.
• Аналогові схеми чутливі до слабкого рівня шуму, навіть на рівні мікровольт, що може призводити до СНР погіршення (співвідношення сигнал/шум) та ТДХ посилення (загальних гармонійних спотворень) у АЦП.
• Тактові сигнали (наприклад, ті, що подаються на Інтеграції АЦП ) та лінії даних перетинають кілька доменів, що призводить до загальна модуляція , розриви повернення шляху , і помилки синхронізації.
• Погано реалізовані стратегії заземнення та PCB stack-up можуть посилювати ці ризики, особливо на щільних багатошарових платах.

Розуміння ключових блоків аналогово-цифрових схем

Успішна аналогово-цифрова плата PCB забезпечує:

• Ізоляція: Захист аналогових сигналів від цифрового шуму за допомогою трасування, розділення заземлення або захисних кілець.
• Надійне перетворення: Переконайтеся, що ваші АЦП (наприклад, 12-бітні або 16-бітні) та ЦАП забезпечують точні дані з низьким джитером, використовуючи чисте розподіл тактового сигналу мережі та оптимізоване роз'єднання.
• Контрольований імпеданс: Забезпечення 50 Ом у режимі з одним кінцем або 100 Ом для диференційних ліній на високих швидкостях передачі даних за допомогою структур мікрополоскової, смугової лінії або співвісної хвилеводної смуги.
• Ефективна мережа подачі живлення (PDN): Пригнічення пульсацій і підтримка стабільних напруг за допомогою правильного використання роз'єднувальних конденсаторів та конструкції площин живлення.
• Екранування та управління ЕМІ: Використання перемичок через отвори, заливки міді або екранів Фарадея в ключових чутливих областях.

3. Основні проблеми цілісності сигналів при покращенні аналогово-цифрових плат PCB

Розробка надійної друкованій платі змішаних сигналів є делікатною справою збалансування: потрібно ретельно узгоджувати аналогову чутливість і постійну активність цифрової логіки на загальному субстраті. Коли швидкість передачі даних зростає, а щільність плат збільшується, забезпечення надійної цілісність сигналу (SI) стає не просто складним завданням — а обов’язковим. Нижче ми розглядаємо основні проблеми цілісності сигналів, які повинен вирішити кожен проектант комбінованих аналогово-цифрових друкованих плат для створення надійних продуктів з високими характеристиками.

1. Перехресні наводки та наведення шумів

Коли аналогові та цифрові траси проходять поруч, особливо на довгих паралельних ділянках, швидкозмінні цифрові сигнали вносять шум у чутливі аналогові лінії через взаємну ємність і індуктивність — явище, відоме як загальна модуляція . У високошвидкісних конструкціях це може призвести до значних помилок у аналогових вимірах або спотворення даних. Погана маршрутизація диференційної пари та невідповідні імпеданси посилюють цю проблему.

2. Стрибки потенціалу землі та петлі заземлення

Стрибки землі виникає, коли високошвидкісні цифрові виходи перемикаються одночасно, що призводить до раптових стрибків напруги на землі. Ці стрибки (одночасне перемикання виходів, або SSO) особливо проблемні там, де аналогові та цифрові частини спільно використовують усю або частину площини заземлення. Це призводить не лише до часових помилок у цифрових схемах, але й порушує опорні напруги для аналого-цифрових перетворювачів, операційних підсилювачів та чутливих датчиків.

Петлі заземлення виникають, коли існують кілька шляхів повернення струму по лінії заземлення, утворюючи небажані «антени», які можуть вносити фоновий гул, викликати осциляції або перехоплювати електромагнітні перешкоди з навколишнього середовища. Через це стратегії заземнення —такі заходи, як ретельна трасування та з'єднання заземлення в одній точці—мають критичне значення для плат із сумішшю аналогових і цифрових сигналів.

3. Шум мережі розподілу живлення (PDN)

Коливання на лініях живлення, спричинені швидким перемиканням навантажень (цифрові ІМС, драйвери тактових сигналів), можуть створювати пульсації та короткочасні сплески перешкод, які безпосередньо проникають у аналогові лінії живлення або входи опорних аналогових напруг. Якщо конденсатори відокремлення недостатні, неправильно розташовані або мають погані характеристики ESR, якість живлення погіршується. Нестабільне PDN підриває не лише SI, а й загрожує роздільній здатності АЦП (спричиняє джитер, втрату КСШ та навіть функціональні помилки).

4. Розриви імпедансу та порушення шляхів повернення

Високошвидкісні цифрові сигнали поводяться як лінії передачі з керованим імпедансом (зазвичай мікросмужкова або смужкова), і будь-який розрив — наприклад, погано спроектований через, з'єднувач чи розрізана площина живлення/землі — призведе до відбиття сигналів, стоячих хвиль та невідповідності імпедансу . Аналогічно, шляхи повернення як аналогових, так і цифрових сигналів мають бути короткими, прямими та позбавленими розривів чи шлейфів, інакше виникнуть відбиття та втрата сигналу відбувається.

Таблиця: Поширені порушення та їх наслідки

5. Проблеми ЕМІ/ЕМС

Електромагнітне збурення (EMI) та електромагнітна сумісність (ЕМС) є загальними проблемами, особливо в розведеннях змішаних сигналів. Швидкісні цифрові ланцюги виступають джерелами ЕМІ, тоді як аналогові сенсори, ВЧ-входи та АЦП є вразливими «одержувачами». Недостатнє екранування , погане розведення площин та відсутність стібкових переходів можуть перетворити плату на передавальну антену, що загрожує провалом регуляторної сертифікації.

6. Проблеми з часовими параметрами сигналів та розповсюдженням тактових імпульсів

Нестабільні розподіл тактового сигналу або надмірні джитер тактового сигналу можуть призводити до часових розбіжностей (розсування) між доменами, викликаючи непередбачувану затримку, метастабільність та помилки синхронізації даних — особливо під час переходу між тактовими доменами . АЦП та ЦАП особливо чутливі до шуму та джитеру тактового сигналу, що погіршує ефективну смугу пропускання та точність.

7. Недостатня симуляція та аналіз перед попереднім макетуванням

Сучасна складність друкованих плат робить небезпечним «імпровізацію» без спеціалізованого Симуляції СІ та аналізу цілісності живлення (PI) інструменти симуляції (такі як HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) дозволяють конструктору передбачити та виправити незначні проблеми — такі як невідповідність довжин, розриви повернення сигналу, паразитну ємність і теплові викиди — задовго до виробництва.

4. Найкращі практики та ключові аспекти

Створення друкованій платі змішаних сигналів відрізняється чудовими цілісність сигналу вимагає докладного, комплексного підходу. Кожне рішення — від порядку шарів до розподілу живлення — може впливати на остаточну продуктивність плати в реальних умовах експлуатації. У цьому розділі ви дізнаєтеся про основні практичні рекомендації, які стосуються як фундаментальних принципів проектування, так і просунутих методів інтеграції аналогових/цифрових компонентів.

1. Забезпечте розділення плати заздалегідь

Чітке функціональне розділення є життєво важливим. Виділіть окремі зони для аналогових друкованих плат та цифрових друкованих плат схеми під час створення схем та планування розміщення на платі. Фізична відстань значно зменшує наведення шумів, коливання землі та перехресні завади між доменами. Загальне правило: ніколи не прокладайте цифрові тактові сигнали або високошвидкісні дані під чутливими аналоговими компонентами або поблизу них.

Ключові дії:

• Розташовуйте АЦП, датчики та аналогові підсилювачі якомога далі від генераторів, ПЛІС, імпульсних стабілізаторів та високочастотних кварцових джерел.
• Орієнтуйте основні цифрові шини даних перпендикулярно до критичних аналогових сигнальних шляхів, щоб обмежити ємнісне зв’язування.

2. Оптимізуйте структуру шарів друкованої плати

PCB stack-up впливає на все — від стійкості до ЕМІ до контролю імпедансу. Використовуйте структуру шарів, у якій шари високошвидкісних сигналів розташовані між суцільними, неперервними шарами землі (та, за необхідності, живлення). Це не лише створює лінії передачі з контрольованим імпедансом, але й забезпечує короткі, прямі зворотні шляхи для швидких перехідних струмів.

3. Основні стратегії заземнення

Заземнення є основою цілісності сигналів у системах із змішаними сигналами. Існує два основні підходи:

• Одноточкове (зіркоподібне) заземнення: Спеціальний вузол з'єднує аналогові та цифрові ланцюги повернення контрольованим способом — особливо ефективний для конструкцій низької та середньої частоти.
• Неперервна площина заземлення: Для конструкцій з високою швидкістю/частотою суцільна, безперервна мідна площина із ретельним сегментуванням (за необхідності) забезпечує найкоротші шляхи повернення та мінімальне створення ЕМІ.

Найкращі методи заземлення для комбінованих друкованих плат:

• Уникайте петель заземлення забезпечуючи єдиний шлях повернення для кожної функції схеми.
• Не розділяйте площини заземлення без потреби. Розділяйте лише за абсолютної необхідності, і завжди з'єднуйте в одній точці з низьким опором під АЦП або основним перетворювачем.
• Використовуйте захисні кільця або заливки міді навколо аналогових ліній з високим опором та критичних аналогових схем для додаткового екранування.

4. Контроль імпедансу та використання диференційних пар під час трасування

Швидкісні цифрові сліди мають прокладатися як контрольоване хвильове опір лінії, узгоджені з вимогами інтерфейсу (звичайно 50 Ом несиметричні, 100 Ом диференційні). Це мінімізує відбиття сигналів та стоячі хвилі. Для диференційних сигналів (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) важливою є розмітка трас та узгодження їхньої довжини.

5. Забезпечення надійного розподілу живлення та декуплювання

ВАШ мережа розподілу живлення (PDN) вимагає серйозного проектування.

• Використовуйте окремі стабілізатори або фільтровані домени для аналогових та цифрових ліній живлення. Низькопрофільні ЛДС (лінійні стабілізатори) для аналогових, імпульсні стабілізатори (SMPS) для цифрових навантажень, за потреби — з фільтрацією.
• Стратегічно розташовуйте декуплювальні конденсатори (включаючи кілька номіналів для фільтрації на високих/низьких частотах) якомога ближче до контактів живлення ІМС. Використовуйте конденсатори з низьким ESR та комбінування керамічних багатошарових конденсаторів (MLCC) (0,01 мкФ, 0,1 мкФ, 1 мкФ тощо).
• Використовуйте феритові кільця або невеликі ізоляційні дроселі між аналоговими та цифровими площинами/шинами.

Приклад таблиці розв'язування

6. Пріоритетне управління ЕМІ/ЕМС

Застосуйте багаторівневий підхід:

• Використовуйте екрануючі корпуси та металеві оболонки для високоризикових аналогових та ВЧ-секцій.
• Перемички (via stitching) (регулярно розташовані заземлені отвори) навколо аналогових секцій і уздовж країв плати фіксує струми повернення, зменшуючи «витік» ЕМІ.
• Обережна трасування тактового сигналу лінії годинника повинні бути короткими, прокладатися вдалині від аналогових зон і екрануватися суміжними слідами або площинами заземлення. Уникайте прокладання тактових сигналів через розрізані або розділені ділянки заземлення, щоб запобігти випромінюванню.

7. Перевірка за допомогою інструментів моделювання та перевірок DFM

Не вгадуйте — моделюйте! Використовуйте Симуляції СІ та Аналізатор PDN інструменти (такі як HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity або вбудовані інструменти в Altium/OrCAD) для оцінки:

• Діаграми сигналів (eye diagrams)
• Прогнози перехідних завад
• Цілісність повернення сигналу
• Пульсації живлення та заземлення
• Теплові «гарячі точки»/управління температурою

5. 12 кроків до оптимізованого ефективного проектування друкованих плат із змішаними сигналами

Оволодіння цілісність сигналу із практичним, покроковим процесом, що лежить в основі проектування друкованих плат із змішаними сигналами які надійно працюють у реальних умовах. Нижче ми розглядаємо 12 перевірених кроків — кожен з яких відображає найкращі галузеві практики, типові помилки та корисні інженерні рекомендації.

Крок 1: Раннє розділення аналогових та цифрових секцій

1.1 Визначення аналогових та цифрових ділянок

• Проаналізуйте вашу схему, щоб класифікувати компоненти як чисто аналогові, цифрові або змішані (наприклад, АЦП, ЦАП, кодеки).
• Позначте функцію кожної схеми: аналогова з низьким рівнем шуму, цифрова логіка, високошвидкісне тактування тощо.

1.2 Стратегічне розміщення

• Фізично ізольуйте аналогові та цифрові ділянки на розводці друкованої плати.
• Прокладайте аналогові сигнали подалі від цифрових шин і уникайте прокладання цифрових трас під аналоговими мікросхемами.
• Використовуйте шовковий друк або мідні позначення для вказівки меж — це полегшить збірку та усунення несправностей.

Крок 2: Вибір компонентів із відповідними інтерфейсами

Під час інтеграції різних підсистем правильний вибір протоколу інтерфейсу покращує як продуктивність та цілісність сигналу .

Поширені інтерфейси та найкращі сфери застосування

Крок 3: Покращення функціональності АЦП для точних вимірювань

3.1 Вибір правильного АЦП для завдання

• Розглянути ключові характеристики АЦП роздільна здатність (12, 16, 24 біти), відношення сигнал/шум (SNR), коефіцієнт нелінійних спотворень (THD), максимальна частота дискретизації, вхідний опір, стабільність опорної напруги.
• Виберіть архітектуру, яка підходить для застосування: SAR, Sigma-Delta або Pipeline ADCs.

3.2 Забезпечте стабільні тактові сигнали та ізольовані джерела шуму

• Використовуйте генератори з низьким джиттером. Джиттер тактового сигналу погіршує ефективну кількість бітів (ENOB) у високошвидкісних АЦП.
• Фізично ізолюйте сліди тактових сигналів від шумних цифрових шин.
• Декуплюйте живлення АЦП за допомогою конденсаторів з низьким ESR.

3.3 Підтримуйте чистоту опорної напруги

• Розміщуйте опорні конденсатори (10–100 мкФ, плюс керамічні 0,1 мкФ) якомога ближче до виводу Vref АЦП.
• Кільця-охорони навколо ліній опорної напруги додатково зменшують наводження шуму.

Крок 4: Розробіть ефективну структуру друкованої плати

Дбайливо розроблена PCB stack-up становить основу успіху у використанні аналогово-цифрових схем.

• Розміщуйте шари високошвидкісних сигналів поруч із суцільними опорними площинами.
• Уникайте розділення заземлених або живильних площин під трасованими сигналами.
• Зберігайте симетрію у структурі, щоб мінімізувати вигин/деформацію та забезпечити придушення перехідних завад.

Крок 5: Впровадження ефективних стратегій заземлення

• Одноточкове з'єднання між аналоговим і цифровим заземленням (зазвичай біля АЦП).
• Використовуйте суцільні, широкі мідні заливки/дуги для шляхів заземлення — мінімізуйте опір та індуктивність.
• Використовувати охоронні траси та мідні заливки навколо чутливих аналогових сигналів.

Крок 6: Оптимізація розподілу живлення та декуплювання

6.1 Використовуйте окремі джерела живлення

• Роздільні аналогові та цифрові шини. Використовуйте LDO для аналогових, перемикання/феритовий фільтр для цифрових.
• Живлення АЦП та інших високоточних компонентів має здійснюватися від найчистішої можливої шини.

6.2 Конденсатори розв'язування для фільтрації шумів

• Встановлюйте комбінацію високочастотних (0,01–0,1 мкФ) та об'ємних (1–10 мкФ) керамічних конденсаторів MLCC біля кожного ІМС.
• Зводьте до мінімуму площу контуру, утримуючи траси від конденсатора до виводу якомога коротшими.

Крок 7: Ефективна трасування аналогових та цифрових слідів

• Ніколи не перетинайте аналогові та цифрові сліди —дотримуйтесь шаруватого, окремого трасування.
• Уникайте прокладання високошвидкісних слідів над розривами або проміжками у поверненому струмі заземлення.
• Узгоджуйте довжини слідів для високошвидкісних/диференційних пар; використовуйте калькулятори імпедансу для точного визначення ширини.

Крок 8: Впровадження стратегій теплового управління

• Визначте компоненти, що виділяють тепло (регулятори, драйвери великого струму, процесори).
• Використання термальні черезники та спеціальні заливки міді (термоплощадки) для відведення тепла на внутрішні або протилежні шари.
• Розгляньте можливість використання примусового охолодження повітрям, радіаторів або навіть вбудованої міді, якщо потужність висока.

Крок 9: Синхронізація розподілу тактових сигналів для покращення аналогово-цифрових схем

• Розподіляйте тактові сигнали за допомогою буферів з низьким розсуванням.
• Прокладайте тактові траси за допомогою коротких, прямих слідів, екранованих площинами заземлення.
• Уникайте тактових трас над розрізненими заземленнями — забезпечуйте безперервні опорні площини.

Крок 10: Застосування екранування для управління шумами

• Використання Клітки Фарадея , металеві екрануючі корпуси або суцільні мідні бокси для особливо чутливих аналогових/РЧ ділянок.
• Щільно розташовуйте переходні отвори заземлення навколо екранованих ділянок і уздовж країв плати.

Крок 11: Моделювання проекту багатошарової друкованої плати зі змішаними сигналами

• Використовуйте інструменти моделювання ЦП/СП (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI) для аналізу:
  • Безперервність імпедансу
  • Діаграми очей та джиттер
  • Пульсація потужності
  • Шлях повернення та вразливості через наводки

Крок 12: Підготовка та завантаження файлів для виробництва

• Перегляньте та остаточно затвердіть креслення структури шарів, основні специфікації матеріалів (наприклад, товщина міді , діелектричні сталі, типи переходів).
• Забезпечують контроль імпеданції і позначення контрольних точок чітко вказані в Gerber-файлах.
• Додайте анотовані посилання для екранування, обробки переходами та теплових переходів.
• Включіть повний перелік з'єднань та доступ до функціонального тестування для обох областей.

6. Розуміння переходів та їх впливу на цілісність сигналу

Переходи —маленькі вертикальні з'єднання, які зв'язують шари в друкованій платі змішаних сигналів —часто ігноруються як причина поганої цілісність сигналу . Однак, коли тактові частоти перевищують сотні МГц або навіть доходять до декількох ГГц, структура монтажних отворів все більше впливає на такі параметри, як імпеданс ліній передачі, перехідні перешкоди та збурення землі. Для надійної роботи на високих швидкостях або в аналогових схемах розуміння та оптимізація характеристик монтажних отворів є обов’язковими.

Типи монтажних отворів і їхня роль у платах ізі змішаними сигналами

Монтажні отвори бувають різних типів, кожен з яких має специфічний вплив на якість сигналу:

Вплив індуктивності та ємності переходового отвору

У типовому високочастотній друкованій платі , індуктивність переходу та кваліфікація загалом відомі як паразитні елементи — ненавмисні побічні ефекти, що спотворюють сигнали з різкими фронтами. Ці ефекти особливо проблемні у контрольоване хвильове опір (наприклад, 50 Ом несиметричних, 100 Ом диференційних) середовищах.

Основні ефекти:

• Паразитна індуктивність причини:
  • Повільніші фронти, зменшення високих частот
  • Відображення, перевищення сигналу та дзвонення
• Паразитарна потенція причини:
  • Місцеві провали імпедансу, спотворення на швидких фронтах
  • Збільшення наведених перешкод між виводами або до суміжних площин

Приклад: лінія даних 10 Гбіт/с

Вивід з 1 мм заглушкою (непідключений кінець усередині друкованої плати) може створити резонанс на декількох ГГц, суттєво спотворюючи серійний сигнал 10 Гбіт/с. Видалення або укорочення цієї заглушки (звертання свердла назад або використання сліпих мікроперехідних отворів) повертає амплітуду сигналу, ширину вічка та джиттер часування в межі специфікацій.

Стратегії оптимізації виводів та цілісності сигналу

Оптимізація використання виводів є одним із найважливіших рішень у високошвидкісних та аналогово-цифрових друкованих платах. Ось основні рекомендації:

• Мінімізуйте кількість виводів уздовж усіх критичних високошвидкісних або чутливих аналогових трас
• Використовуйте мікроперехідні отвори або короткі сліпі отвори замість довгих наскрізних отворів у трасах GHz+.
• Уникайте залишків отворів (via stubs) :

• • За можливості використовуйте зворотне свердління, щоб видалити зайву частину отвору під робочим шаром.
  • Або обмежуйте переходи отворів «шар-до-шару» без неискованих хвостових частин.

• Оптимізуйте розташування отворів :

• • Дотримуйтесь симетрії у диференційних парах.
  • Розташовуйте високошвидкісні отвори близько до опорних заземлювальних отворів (стежкове заземлення), щоб мінімізувати площу контуру та забезпечити повернення сигналів.

• Близькість до заземлювальних площин : Для цифрових і комбінованих сигналів завжди розташовуйте заземлювальний отвір поруч із кожним сигнальним отвором, щоб зменшити ризик випромінювання ЕМІ.

Таблиця: Рекомендації щодо оптимізації отворів

Врахування співвідношення розмірів для можливості виготовлення та якості сигналу

Відношення сторін (глибина отвору до діаметра) впливає як на можливість виготовлення, так і на якість сигналу. Високі співвідношення роблять металізацію ненадійною (ризик порожнин або розімкнутих стінок) та підвищують імпеданс переходного отвору, особливо в конструкціях HDI.

• Рекомендоване співвідношення: ≤10:1 для стандартних скрізних отворів; значно нижче для мікроотворів
• Випадок використання: Для друкованої плати товщиною 1,6 мм мінімальний діаметр свердління отвору 0,16 мм (6,3 mil) забезпечує безпечну металізацію

Приклад з практики: мікроотвір проти скрізного отвору у високошвидкісному послідовному з'єднанні

Інженер-проектувальник телекомунікаційної системи, який інтегрував 12-шарову комбіновану плату зі змішаними сигналами, замінив застарілі через отвори на парі SerDes зі швидкістю 6,25 Гбіт/с на глухі мікроперехідні отвори з обробкою зворотного свердління. Дрожжі в діаграмі очей знизилися на 31%, перехресні перешкоди (на частоті 5 ГГц) скоротилися вдвічі, а проект пройшов перевірку ЕМІ з першої спроби — що підтверджує пряму користь сучасної стратегії переходних отворів для цілісності сигналу.

Короткий огляд найкращих практик

• Вибирайте типи та конструкції перехідних отворів залежно від цілісність сигналу вимог, технологічності та структури багатошарової плати.
• Обов’язково моделюйте (за допомогою Ansys SIwave, HyperLynx або інструментів SI в Altium) ризики взаємного впливу, резонансу чи відбиття в перехідних отворах — особливо на лініях зі швидкістю понад 500 Мбіт/с або критичних аналогових сигналах.
• Завжди узгоджуйте вимоги до цілісності сигналу з рекомендаціями DFM від виробника друкованих плат задля надійного виробництва.

7. Стратегії побудови заземлювальних площин для високочастотних та комбінованих друкованих плат

Правильно спроектована опорна площина є тихим гарантам цілісності сигналу в кожному високопродуктивному друкованій платі змішаних сигналів . Оскільки швидкість цифрових сигналів зростає, а аналогова точність підвищується, система заземлення стає критичним шляхом повернення кожного сигналу, екраном від електромагнітних перешкод і опорною точкою «нульового вольта» для всіх аналогових і цифрових вимірювань. Проте незначні помилки у розміщенні площини заземлення можуть непомітно зірвати навіть найсучасніші конструкції.

Роль площин заземлення в друкованих платах із сумішшю сигналів

Як у аналогових друкованих плат та цифрових друкованих плат підсистеми, площина заземлення виконує три основні функції:

• Шлях повернення сигналу: Забезпечує шляхи з низьким опором між джерелом і навантаженням як для високошвидкісних цифрових, так і для чутливих аналогових сигналів.
• Подавлення ЕМІ: Забезпечує суцільний екран, що поглинає та обмежує випромінювані завади, зменшуючи внутрішній перехідний вплив і приймання зовнішніх перешкод.
• Стабільність опорного потенціалу: Підтримує постійну опорну напругу, що є критично важливою для інтеграції АЦП та точних аналогових вимірювань.

Найкращі практики реалізації площини заземлення

1. Використовуйте суцільну, непереривну площину заземлення

• Виділіть окремий шар (або шари) для безперервної заземленої площини.
• Уникайте розрізання, вирізання або сегментації цієї площини під сигнальними трасами.
  • Факт: Будь-який виріз або розрив у площині заземлення під високошвидкісним сигналом змушує повернення струму йти обхідним шляхом, значно збільшуючи площу контуру, ЕМІ та чутливість до шумів.
• Розміщуйте високошвидкісні та високоточні аналогові схеми безпосередньо над їх опорною заземленою площиною, скорочуючи контури повернення струму та мінімізуючи паразитну індуктивність.

2. Розділяйте аналогові та цифрові заземлення — з дисципліною

• Для багатьох комбінованих друкованих плат доцільно логічно (не завжди фізично) розділяти аналогові та цифрові заземлення, з'єднуючи їх в одній точці з'єднання — найчастіше безпосередньо на АЦП або ЦАП. Це запобігає забрудненню опорних аналогових сигналів шумними струмами цифрового заземлення.
• Використовуйте фізичні роз'єднання лише за необхідності ; ніколи не роз'єднуйте без причини, і завжди забезпечуйте низькоомний "міст" у ключових точках перетворення/інтерфейсу.
• Уникайте довгих паралельних ділянок слідів аналогових і цифрових заземлень, які можуть працювати як антени.

3. З'єднуйте площини заземлення перемичками (vias)

• Використання перемички (via stitching) навколо екранованих зон, країв плати та поруч із виводами високошвидкісних сигналів. Щільно розташовані (≤2 мм) виводи заземлення забезпечують ефективне пригнічення ЕМІ та скорочують петлю повернення сигналу.
• Для диференційних або високошвидкісних пар, що перетинають площини, забезпечте наявність виводів заземлення поруч із сигнальними виводами для правильного спрямування струмів повернення.

4. Використовуйте багатошарові площини заземлення для критичних застосувань

• Багатошарові друковані плати (наприклад, 4, 6 або більше шарів) завжди повинні мати більше ніж одну площину заземлення для низькоомного повернення та додаткового екранування. Розгляньте «підходи-сендвічи» з двома площинами заземлення, розташованими по обидва боки від шару сигналів.
• Приклад стеку:  
  • Шар 2: Цифрове суцільне заземнення
  • Шар 4: Аналогове заземнення (під'єднане в зірковій точці АЦП)
  • Шар 6: Заземнення корпусу або екрану (для корпусів або ВЧ-застосувань)

Практичні рекомендації щодо площин заземнення — Таблиця

8. Цілісність живлення: забезпечення чистої мережі подачі живлення

Проектування надійного цілісність живлення (PI) полягає не просто в подачі напруги на ваші пристрої — це гарантує, що кожен чутливий аналоговий вхідний каскад, кожен високошвидкісний цифровий сигнал і кожен прецизійний перетворювач завжди отримують стабільне, позбавлене шумів живлення за будь-яких реальних умов навантаження. У проектуванні друкованих плат ізімкованими сигналами розподіл потужності стратегії є такими ж важливими для цілісність сигналу як заземлення та контроль імпедансу.

Чому важлива цілісність живлення в друкованих платах ізімкованими сигналами

Шумна або слабка мережа подачі живлення (PDN) може підривати навіть найкращу аналогову чи цифрову розводку. Розгляньте:

• Пульсації блоку живлення можуть безпосередньо проникати в Інтеграції АЦП , зменшуючи ефективну роздільну здатність і відношення сигнал/шум, а також викликаючи джитер на тактових інтерфейсах.
• Перехідні спади ("зниження потенціалу землі") через швидке цифрове перемикання створюють стрибки землі або перехідні завади, які аналогові схеми можуть підсилювати або демодулювати.
• Недостатньо конденсатори відокремлення неправильно підібрані або погано розташовані об'ємні конденсатори можуть призводити до коливань або резонансу напруги у лініях живлення, що потенційно порушує логічні стани та показання сенсорів.

Стратегії чистої подачі живлення

1. Розділення аналогових і цифрових ділянок живлення

• Використовуйте окремі аналогові та цифрові живлення, де це можливо. Харчуйте аналогову частину через малошумові лінійні стабілізатори (LDO), тоді як високоефективні імпульсні джерела (SMPS) можуть живити цифрові ділянки.
• Для критичних сенсорів або високоточних АЦП додайте додатковий фільтр аналогового живлення (LC-ланцюг або феритовий перехідник + конденсатор).
• Фізично розділіть аналогові та цифрові площини живлення, щоб краще ізолювати чутливі ділянки.

2. Використання аналізу PDN та цільових значень імпедансу

• Визначте та моделюйте вашу мережу живлення (PDN) за допомогою Аналізатор PDN інструментів (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys тощо), щоб забезпечити стабільну напругу для всіх мікросхем при максимальному стрибку навантаження.
• Встановіть цільове значення імпедансу (Z_target) для кожного каналу живлення. Для сучасної логіки (канали 1,2 В, 1,8 В, 3,3 В) воно може бути таким низьким, як 10–20 мОм для високострумових шляхів.

3. Розміщення декуплювальних конденсаторів у кілька рівнів

• Розташовуйте комбінацію багатошарових керамічних конденсаторів (MLCC) (0,01 мкФ, 0,1 мкФ, 1 мкФ) якомога ближче до кожного виводу живлення — ідеально безпосередньо під нього або поруч, за найкоротшим шляхом.
• Використовуйте більші конденсатори великого об'єму (10 мкФ, 22 мкФ, танталові або керамічні), розподілені поблизу груп інтегральних схем або біля входу живлення.
• Для високошвидкісних цифрових ІС (FPGA, MCU, DDR) використовуйте додаткове локальне розв'язування, щоб зменшити шум від одночасного перемикання (SSO).

Приклад: Таблиця розв'язувальних конденсаторів для друкованої плати змішаних сигналів

4. Мінімізуйте імпеданс та резонанс площини живлення

• Максимізуйте товщину міді живлення (≥1 унція/фут²) та площу для критичних аналогових шин задля низького опору.
• Зберігайте прості та цілісні форми площин. Уникайте вузьких шийок або гілок, які підвищують локальний імпеданс.
• Прокладайте короткі, широкі сліди від джерела (регулятора) до навантаження, не перетинаючи зони з сильним шумом.
• Наскільки можливо уникайте прокладання слідів високошвидкісних сигналів над шумними або розрізаними силовими площинами.

5. Феритові кільця, LC-фільтри та ізоляція

• Додавайте феритові кільця на входах аналогових шин, щоб блокувати цифрові комутаційні перешкоди (наприклад, шум ядра МК, тактових кіл).
• Використовуйте П-подібні LC-фільтри для шин АЦП із наднизьким рівнем шуму або збудження сенсорів.

Практичний приклад: усунення шуму АЦП на друкованій платі змішаних сигналів

Модуль промислового датчика IoT демонстрував випадкові стрибки аналогових показань, коли бездротовий передавач ініціював передачу даних на великій швидкості. Аналіз PDN виявив, що струми з високим рівнем перемикання проникали через загальний 3,3-вольтовий ланцюг, впливаючи на опорну напругу АЦП. Після додавання феритового кільця, додаткового локального розщеплення та відокремлення аналогового VREF від цифрового VCC, співвідношення сигнал/шум АЦП покращилося на 22 дБ, а стрибки шуму повністю зникли.

9. Проектування з урахуванням технологічності та співпраця з виробниками

Проект чи наскільки ретельними є ваші друкованій платі змішаних сигналів розрахунки, успіх вашої плати врешті-решт залежить від того, наскільки добре її можна виготовити, протестувати та зібрати обраним вами виробником. цілісність сигналу —та мистецтво співпраці з виробниками друкованих плат—гарантує, що всі ваші прагнення щодо цілісності сигналу безперешкодно реалізуються у справжньому, надійному обладнанні. Проектування для виробництва (DFM) чому DFM має вирішальне значення для успіху змішаних сигнальних PCB та цілісності сигналів

Чому DFM має вирішальне значення для успіху змішаних сигнальних PCB та цілісності сигналів

Сучасні аналогово-цифрові друковані плати часто використовують компоненти з малим кроком, HDI-структурність, точний контроль імпедансу, щільні масиви переходів та складні конфігурації живлення/заземлення. Якщо ваша конструкція не забезпечує високоякісне виробництво у великих обсягах або постійно потребує переділу через неможливість виготовлення — всі ваші зусилля щодо цілісності сигналу марні.

Основні аспекти проектування з урахуванням технологічності для аналогово-цифрових та високошвидкісних схем

1. Структура шарів і наявність матеріалів

• Перевірте заплановану структуру друкованої плати з вашим постачальником до фіксації розташування — уточніть можливу кількість шарів, мінімальну товщину діелектрика та товщину мідних шарів.
• Використовуйте матеріали, які є на наявності у виробника (FR-4, Rogers, маловтратні плівки), які відповідають вашим цілям щодо контролю імпедансу, низької перехідної завади та високої ізоляції.
• Підтвердьте симетрію структури (щоб мінімізувати деформацію), особливо для високошвидкісних та HDI-плат.

2. Типи переходів, співвідношення сторін та обмеження свердління

• Надайте вимоги до вашого проекту щодо типів переходів (отвори, мікроперехідні отвори, сліпі/закопані) та переконайтеся, що ваш дизайн відповідає можливостям виробництва.
• Дотримуйтеся співвідношення сторін ≤10:1 для скрізних отворів або використовуйте ступінчасті/заглиблені мікроперехідні отвори для HDI.
• Мінімізуйте «спеціальну обробку» (наприклад, підсвердлювання залишків), якщо це не є абсолютно необхідним для цілісності сигналу, оскільки це збільшує вартість і може знизити вихід придатної продукції.

4. Контроль імпедансу — від моделювання до реальності

• Повідомляйте цільові значення імпедансу для всіх ліній передачі (50 Ом, диференційний 100 Ом тощо) та посилаєтесь на геометрію свого шаруватого пакета у вказівках для виробництва.
• Вимагайте тестові зразки або проміжний контроль імпедансу для перевірки, чи критичні мережі відповідатимуть специфікаціям.
• Підтвердьте можливості виробника щодо прецизійного травлення, металізації та контролю діелектрика.

4. Товщина міді, кільцевий замок та ширина/відстань провідників

• Встановлюйте ширину/відстань провідників та товщину міді відповідно до рекомендацій IPC та обмежень виробника.
  • Для чутливих аналогових і потужних слідів розгляньте використання міді ≥1 унція/фут² для надійного живлення та низької втрати напруги.
• Забезпечте кільцеві ділянки навколо отворів (для надійності металізації), які відповідають мінімальним вимогам виробника.
• Переконайтеся, що мінімальні зазори маски луження — особливо в щільних областях змішаних сигналів та BGA — відповідають вимогам.

5. Доступ до тестування та зондування

• Встановлюйте контрольні точки на аналогових і цифрових вузлах; співпрацюйте зі своїм виробником, щоб переконатися, що пристосування можуть досягти всіх ключових мереж без перешкод від високих компонентів, роз’ємів або екранів.
• Проектуйте з урахуванням внутрішньоланкового та функціонального тестування — ці можливості часто допомагають виявити проблеми з інтегральними схемами або помилки монтажу.

Ефективна співпраця з виробниками друкованих плат

• Надавайте інформацію рано та регулярно: Надавайте структуру шарів, цілі імпедансу, ключові розташування та карти щільності своєму виробнику якомога раніше.
• Запитуйте огляд DFM: Запросіть відгуки щодо будь-яких «попереджувальних сигналів» (наприклад, неможливість виготовлення через конструкції, обмежені зазори міді, проблеми з термокеруванням).
• Дізнайтеся про додані процеси: Деякі виробники пропонують імітацію електромагнітних перешкод у внутрішньому режимі, автоматичну перевірку списку з'єднань або розширену перевірку/інспектування (наприклад, рентген для HDI).
• Спільно перегляньте відгуки на дослідний зразок: Ретельно перевірте перші зразки разом щодо дефектів паяння, неочікуваної ємності/індуктивності або «гарячих точок» SI/EMI — та вдосконалюйте за потреби перед масштабуванням.

Контрольний список співпраці щодо DFM та виробника

Приклад з практики: вирішення проблеми виходу продукції за допомогою DFM

Бездротовий IoT-хаб із 10-шаровою друкованою платою для аналогово-цифрових сигналів не пройшов перевірку імпедансу на диференційних лініях USB під час першого випуску. Основна причина: несанкціоновані заміни вказаних препрегів з низьким Dk призвели до зміщення імпедансу провідників з 100 Ω до 115 Ω, що призвело до невідповідності вимогам. Шляхом безпосередньої співпраці з виробником, підтвердження всіх матеріалів та додавання документації щодо структури шарів у Gerber-файли, конструкція успішно пройшла перевірку як за електромагнітною сумісністю, так і за цілісністю сигналу у наступній партії — забезпечивши 100% вихід придатної продукції.

10. Тестування аналогово-цифрових друкованих плат на надійність

Темпераментне тестування є останнім захистом для друкованій платі змішаних сигналів якість І цілісність сигналу . Навіть найретельніше спроектовані плати можуть мати дефекти виробництва, проблеми зі стійкістю до перешкод або непередбачені вразливості в реальних умовах експлуатації. Застосовуючи всебічні стратегії перевірки, які охоплюють аналогові та цифрові підсистеми, ви забезпечуєте функціональність свого продукту, відповідність вимогам та довготривалу надійність.

Чому комплексне тестування є критично важливим

Плати змішаних сигналів унікально поєднують чутливість аналогових компонентів із швидкими цифровими перемиканнями — це створює умови для тестування, в яких навіть незначні перешкоди або паразитні ефекти можуть призвести до несправностей на рівні системи. Не виявлені проблеми, такі як зсув землі, перехідні процеси в живленні або дрожання тактового сигналу, можуть зіпсувати місяці проектування та підривши надійність у реальних умовах.

Основні типи тестів для PCB змішаних сигналів

1. Функціональне тестування

• Мета: Перевіряє, чи аналогові та цифрові схеми працюють відповідно до проектних специфікацій.
• Методи:  
  • Подавайте відомі аналогові сигнали та перевіряйте передавальні функції АЦП/ЦАП на лінійність, відношення сигналу до шуму (SNR) та коефіцієнт нелінійних спотворень (THD).
  • Використовуйте логічні аналізатори та тестери протоколів для перевірки цифрових шин (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) на правильність таймінгу, відсутність помилок передачі та відповідність протоколу.
  • Застосовуйте петльові шаблони та внутрішні процедури перевірки прошивки для ініціалізації на рівні плати.

2. Тест на експлуатаційні навантаження

• Мета: Виявляє приховані дефекти або вразливості щодо цілісності сигналу за умов екстремальних температур, вологості та вібрацій.
• Методи:  
  • Температурне циклювання (наприклад, від –40 °C до +85 °C), з ввімкненим та вимкненим живленням.
  • Тестування на вологу, особливо важливе для аналогових входів/виходів або високошвидкісних інтерфейсів, що піддаються впливу навколишнього середовища.
  • Моделювання вібрацій та ударів — відстеження переривань сигналу, стрибків потенціалу землі або проблем із цілісністю сигналу, пов’язаних із роз’єднаннями.

3. Тест на відповідність нормам ЕМІ/ЕМС

• Мета: Забезпечує відповідність рівнів емісії та чутливості плати регуляторним обмеженням (FCC, CISPR, автомобільна, медична галузі тощо).
• Методи:  
  • Випромінювані емісії: сканування плати в безлунній камері для вимірювання електромагнітних перешкод від шумних тактових сигналів, швидких ліній даних і блоків живлення.
  • Кондуктивні емісії: оцінка того, чи вноситься шум у живильні лінії плати.
  • Тестування стійкості: опромінення плати радіочастотною енергією або імпульсами електростатичного розряду та підтвердження стабільної аналогової/цифрової роботи.

Загальне обладнання для тестування аналогово-цифрових друкованих плат

Найкраща практика робочого процесу тестування

• Заплануйте контрольні точки у розташуванні: Включіть аналоговий та цифровий доступ для тестування — забезпечте чисті ділянки для осцилографа, логічного пробника або ВЧ вимірювань.
• Виконайте моделювання SI/PI до виробництва: Перевірка критичних мереж у віртуальному прототипі до переходу до апаратного забезпечення.
• Прототипування, налагодження та документування: Аналізуйте ранні версії на наявність розбіжностей у ЦІ (закриття вікон, джитер, шум) та реєструйте причини виникнення проблем/заходи щодо їх усунення.
• Проведення повного тестування на відповідність вимогам: Навіть продукти, які не мають рейтингу, отримують користь від ЕМІ/ЕМС-тестування, яке часто виявляє неочікувані проблеми з ЦІ, спричинені помилками у розміщенні, заземленні чи екрануванні.
• Контроль під час початкового розгортання: Зворотний зв'язок із реальних умов експлуатації є надзвичайно цінним для постійного підтвердження якості ЦІ, особливо коли застосування передбачає зміну умов навколишнього середовища.