模拟电路PCB设计规则详解

模拟电路PCB设计规则详解

尽管构建模拟系统看起来像是回到了真空管时代，但模拟元件和电路不会很快消失，支持它们的 PCB 也不会消失。 纯模拟电路板和混合信号 PCB 在许多产品中仍然很重要，并将继续在一定频率范围内运行。 开始模拟 PCB 设计以及需要考虑的事项可能很困难，但我们希望这些指南能够帮助您了解可以采取哪些步骤来确保成功。

有时最好根据共同的设计目标来考虑模拟 PCB 和混合信号 PCB。 模拟电路和 PCB 需要特别小心，因为目标通常是路由信号并将其输入到组件/电路中，同时确保低噪声运行。 然后，电路板运行的频率范围将决定需要采取的一些措施，以确保设计按预期运行。 在本指南中，我们将概述一些您应该考虑的标准模拟 PCB 设计和布局指南。 我们将尝试涵盖从低 kHz 频率到高毫米波频率。

模拟PCB层堆叠

电路设计完成后，层堆叠是设计的第一站。 模拟层堆栈通常遵循与构建数字 PCB 堆栈相同的思路。 应注意以下几点：

• 电源和接地：计划在PCB布局中的关键信号走线周围使用大量接地，并相应规划电源轨布线。 新手设计人员可能习惯于考虑如何布线重要的模拟互连，但如果您尽早这样做，则可以相应地规划电源和信号布线。

• 高频电源：如果你的模拟板需要高输出功率和高频传输，你需要提供一个非常稳定的电源，可能是大电流。 计划在内层使用电源层代替导轨，并将接地层放置在相邻层。

• 材料选择：我认为每个设计师都希望在模拟电路板的每一层使用低损耗 PTFE 层压板，但这些昂贵的材料并不总是必要的。 如果您的工作频率不是几十 GHz，并且仅使用较短的布线，则可以使用标准 FR4 层压板，只要不使用长互连电缆即可。 如果您确实需要低损耗层压板，请联系您的制造商以了解如何使用混合 PCB 堆栈。

当今的模拟板通常在与模拟部分相同的板上包含数字部分。 您应该如何在堆栈中处理这个问题？ 在混合信号 PCB 中，电源和接地的建议通常有所不同，具体取决于您的模拟和数字部件之间是否需要直接布线。

混合信号接地

如果您的电路板也有数字部分，那么组件放置的事情会变得更加复杂。 一般来说，由于数字电路的速度，您不应使用物理上分离的接地层，而应使用单个接地层。 尝试规划布局，使数字模块和模拟模块的返回路径自然分开。 这在低频下很困难，这就是为什么如此多的设计指南继续提倡使用单独的模拟和数字接地层。

混合信号电源

对于混合信号电源，电源层通常分为数字和模拟部分，类似于数字电源层在不同电源电压下工作所完成的工作。 这些部件应位于同一层，并参考相邻层的同一接地平面。 此外，最好将数字电源轨仅放置在电路板的数字部分，就像模拟电源轨的情况一样。

此外，您不应该通过连接数字和模拟部件之间的间隙来创建数字和模拟部件之间的接口。 要了解原因，请查看这篇文章。 您需要的接口可以由 ADC 提供，ADC 可以内置在您的主机控制器中，也可以是特殊的 IC。

模拟 PCB 布局中的元件放置

不幸的是，我们无法涵盖所有可能的组件的放置，但我们可以简要讨论一些重要的组件。 具有一些重要布局指南的两个最有趣的组件是 ADC 和放大器（包括运算放大器）。 虽然我想在这里提到PLL，但这些电路依赖于大量的时钟布线和精确的时序，所以最好单独写一篇文章。

处理未使用的运算放大器

模拟板上必须出现的组件之一是运算放大器。 在很多运算放大器IC中，有些运算放大器会闲置。 IC 上任何未使用的引线均应正确端接。 IC 中运算放大器上的未端接（即浮动）引线将产生噪声并传播到工作 IC，从而降低信号完整性。

如果您使用单个电源轨，则应首先将输出短路至灌电流输入。 这会产生负反馈并确保输出正确跟随输入。 接下来，将具有相等电阻的分压器连接到同相输入和接地引脚。 这会将输入电位设置为线性范围的中点。 如果您使用分离轨，则只需将输出短接到漏极输入并将同相输入接地即可。

功率放大器的问题

在低频下，放大器不会受到任何其他 PCB 所不适用的特殊限制。 对于工作在高频的功率放大器来说，情况有所不同，因为放大器输出可能不稳定，这可能是意外的正反馈。 您可以使用一些模拟来跟踪放大器输入的耦合，尽管这些需要可以直接与 PCB 布局连接的场解算器。 了解有关射频功率放大器这个有趣的信号完整性问题的更多信息。

ADC 位置

ADC 是模拟信号与数字世界连接的地方，因此这部分需要小心放置，因为它将包含数字部分。 分离式 ADC 最好大致沿着数字和模拟部分之间的边界放置。 事实上，这可能是在具有单独接地层的混合信号系统中创建接口的唯一可接受的方式，因为硅芯片上的接地层可以为输入/输出信号提供参考层。 然而，如果使用统一的接地层，ADC 的放置以及接地层提供的屏蔽将具有更大的灵活性。

模拟 PCB 接线指南

模拟PCB中的布线是为了确保沿着互连发送的模拟信号在互连的接收器侧不会明显失真。 使用模拟 PCB 时，您的净计数通常比数字 PCB 少得多，因此您可以尽早尝试一些可能的布局，直到找到可解决的计划。 以下是一些可以帮助您的路线指南：

• 走线长度：一般情况下，尽量保持模拟PCB中的走线短而直。 随着信号频率的增加，这一点非常重要。 除了损耗之外，还要注意信号的临界长度。

• 强制阻抗匹配：即使您的布线长度很短，强制阻抗匹配无论如何仍然是一个好主意。 这可能意味着您需要在重要电路或组件上设计一些阻抗匹配网络，以确保电路之间的非反射功率传输。

• 考虑共面布线：您可以使用共面 PCB 布线来确保高隔离度，而无需牺牲阻抗。 您仍然可以强制进行阻抗控制，同时违反铜铸件的“3W”间隙规则。

• 尽量减少过孔的使用：每个过孔都会增加互连S参数的损失，因此最好尽量减少这些损失，如果可能的话，只进行必要的层转换。 对于那些仍然存在的过孔，它们可能会像天线一样产生强烈的辐射

根据您将在电路板中使用的主频率，您可以考虑通过平面层之间的内部层进行布线。 当需要隔离时，优先选择内层频率较高的带状线或共面布线，只要过孔转换即可。