技术资讯 I 新一代器件的混合信号设计

如何进行电路板布局，实现混合信号设计。

探讨如何抑制电磁干扰（EMI）。

了解如何设置接地和参考平面，以获得可靠信号。

过去，电子设备通常由多块功能不同的独立电路板组成。然而，随着设备不断向小型化、多功能化发展，传统的多板设计正逐渐被淘汰，取而代之的是集成模拟与数字电路的单板（即混合信号电路板）。

现代电子设备越来越侧重于对现实世界中各种元素（如温度、运动等）的采集和数字化处理。这些元素先以模拟信号形式被捕获，然后由模数转换器处理并转换为数字信号，进而与计算机和服务器进行交互。

混合信号电路板面临着独特挑战：既要保持模拟信号的完整性，又要避免在包含数字信号的电路板上引入大量噪声，这也是混合信号设计的关键所在。接下来，我们将深入探讨混合信号设计，分析如何处理敏感模拟电路、布线、供电，做好 EMI 屏蔽。

如今，几乎每一款新型电子设备都离不开混合信号技术。夯实技术基础，是研发下一代设备的关键。

混合信号设计：基础知识

混合信号电路板布局涉及诸多环节，借助高级 CAD 程序，您可以有序完成整个流程。

我们即将讨论的混合信号设计技巧大致可归为两类：一是减少电磁干扰等噪声，二是提升现有设计的抗干扰能力。

在开始布线之前，为混合信号设计制定完善的布局规划至关重要。合理的规划有助于指导器件布局和布线工作，确保电路板上不同功能模块都拥有各自的区域。为此，应将同类模拟器件集中布局，数字器件亦是如此。

最重要的是，将模拟器件与数字器件分开放置，尽可能拉大两者之间的距离。隔离方式包括采用双面板的上下区隔，或单板的左右分区——只要它们之间留有充足的空间即可。

一般而言，模拟信号需要最多的预防措施。模拟信号通常是连续的，而数字信号为二进制信号（误差容限更大）。在设计期间，必须遵循可制造性设计（DFM）规则，以实现最佳的信号和电源完整性，进而提高电路板的制造效率和良率。

混合信号器件布局

设计良好的叠层有助于消除电路板上的 EMI。

完成平面规划后，良好混合信号设计的下一关键步骤是器件布局。如前所述，保持模拟电路与数字电路之间的分隔状态，有助于减少串扰和 EMI，同时提高模拟信号的完整性。

重载电路居中布置

对于发热量较大的重载数字电路（如大型处理器和存储器件），应将其置于电路板的中心区域，以便更好地散发热量。由于这类器件间互连密集，居中放置有助于提升其可访问性。ADC 等其他数字元件应就近放置，并尽量置于中心区域。

旁路电容器配置

完成主要大型器件布局后，接下来是布置旁路电容器。这些电容器应紧贴数字电路放置，在出现地弹或电源浪涌等情况时，有助于确保稳定供电。

直接布线

最后，在放置器件时，应优先选择最直接的布线路径，避免让模拟电路穿越数字电路，反之亦然。这将进一步帮助减少噪声、缩短走线长度，具体布线技巧将在后续章节中详述。

叠层设计

电路板的性能取决于叠层构造，尤其是电源层和接地平面。在布线之前，应先合理设置层叠结构。具体来说，在器件相邻层设置参考平面，可以缩短信号回流路径，从而最大限度地减少噪声，提高信号完整性。在规划层叠结构时，应结合平面布局策略，确保有充足的布线空间。

叠层配置对于抑制 EMI 同样至关重要。虽然减少层数可以节约制造成本，但可能会破坏整体信号完整性。高速信号、敏感信号和噪声较大的电源电路应相互隔离。理想的解决方案是增加电路板层数，并提供充足的接地平面，以保护这些信号免受 EMI。

布线指南

在混合信号设计中，尽可能缩短和加宽走线是一项关键布线原则。

在电路板上完成器件布局并建立良好的接地系统后，大多数走线布线自然会遵循正确的路径。一般来说，布线遵循两条基本规则：

信号路径要简短、直接。

数字电路走线需远离模拟电路。

信号路径长度的要求适用于所有电路模块。电源走线需要短而宽，以降低线路电感。确保参考平面的信号返回路径尽可能短，以减少漂移。在布线过程中尽量减少跨层过渡，因为这也会增加路径长度。

对于高速电路，应尽可能按照原理图信号逻辑布线。不当的布线和过孔布局有可能引起天线效应，因此需重点缩小环路尺寸。对于模拟走线，使用大量过孔也会产生电感，因此也要尽量减少层间转换。

保护模拟信号对设备的可靠性至关重要。层叠结构中的金属平面能够提供良好的屏蔽效果，因此建议将敏感信号以带状线形式布设在两个平面层之间。若因空间限制无法加大间距，可采用屏蔽线来抑制两条平行模拟走线之间的串扰。此法也可用于模拟与数字走线之间的屏蔽。最后，还可以利用过孔在电路功能分区之间形成屏蔽边界或栅栏。过孔栅栏效果显著且易于实现，但会占用较多的电路板空间。

使用先进的 PCB 软件有助于提升此类设计的效率。在对器件进行紧密排布时，既要满足特定的间距要求，又要适配不同的走线宽度，这一过程需要依托完善的数据库来控制。利用 CAD 系统的设计规则来管理这些约束条件，有助于实现有序布局。

混合信号电路板的供电

可靠的电源是保障电路高性能的关键，对于混合信号设计尤为重要。电源电路的布局需满足两个条件：一是与敏感的模拟和数字电路隔离，二是尽可能靠近目标器件。

高速 PCB 常因其电源分配网络（PDN）而出现各种问题，例如瞬态振铃。为此，我们可以在电源附近放置去耦电容，并在叠层中将接地层与电压层相邻放置，以形成更高的层间电容。

图中所示接地平面的中间位置存在较大的过孔间隙，这会显著延长返回信号路径，从而引发各种电路不稳定现象。

此外，平面本身的布局对电路板性能也至关重要。信号走线应避免穿过接地平面的断裂区域（见上图）。平面上的间隙或过孔密集区域会阻断信号返回路径，导致返回信号在回到源端前发生漂移，这是产生 EMI 和降低信号完整性的主要原因。因此，应确保信号返回路径尽可能短，以实现最佳的电路板性能。

保护电路板免受电磁干扰

可能在电路板上使用的大型 EMI 屏蔽罩示例。

信号可能受到多种问题影响，包括地弹、串扰、电源噪声，尤其是电磁干扰（EMI）。电磁干扰会严重影响电路板的正常功能。如果处理不当，可能导致：

通信中断

无线设备受扰

传感器数据损坏

器件故障

软件错误或故障

为解决现有电磁干扰，最有效的方式是采用金属屏蔽罩。在电路板的关键区域上面及四周覆盖金属屏蔽罩，并与下方的接地平面构成一个法拉第笼，降低电路板对电磁干扰的敏感度，同时屏蔽大部分电磁干扰。

不过，该方法也存在一定局限性：EMI 屏蔽罩并非完全平整，需预留空间，以便访问下方器件。此外，屏蔽罩应采用穿孔设计，否则会阻碍散热。它们也会增加电路板的整体复杂度，给调试和测试带来困难。

理想情况下，屏蔽罩应能完全阻隔外部电磁干扰。但在实际设计中，还需要为散热、电路板焊接点预留开口，并为后期调整留出充足的空间。常用的PCB 屏蔽罩材料包括镀锡轧钢、镀铜、不锈钢等。

另一种屏蔽方法是使用差分线对，其原理类似于电话线中的双绞线，能比单端传输线更有效地抑制共模噪声。

减少噪声源

噪声的来源多种多样，主要来自振荡器（晶体）或时钟线以及大型电感器和电源周围产生的电磁场。

任何较大的电压摆幅都可能引发问题，除非电流负载端已配备必要的电容、铁氧体磁珠、二极管和终端电阻，并将布线长度（从电源经负载返回接地平面的路径）控制在最小。一般来说，环路越小，产生的噪声与电磁干扰越少。

射频能量会被附近的金属物体（如印刷天线）吸收。因此，在天线周围设置接地过孔可能有助于减少不必要的干扰。为进一步减少电磁干扰，可将天线印制在外层，并确保其正下方的基层不含铜。

最后需注意：来自电路某一部分或其他设备的干扰，可能会以不可预知的方式与现有铜环路耦合。换句话说，任何导电环路都可能成为不必要的天线。为避免这种情况的发生，建议使用仿真工具来分析电路板特性，了解其实际运行状况。

接地和参考平面设计要点

印刷电路板上的分割平面示例。

对于包含大量敏感电子元件的电路板，设计良好的接地平面至关重要。为确保电路可靠性，应避免在平面的阻塞区域布线，因为这会延长信号返回路径，进而引入噪声。

理论上，分割平面可在电路的模拟与数字区域之间形成更好的隔离。但在实际应用中，参考平面上的分割平面、切口或孔洞可能会导致电磁干扰，并为信号返回路径制造障碍。如有可能，应避免使用分割平面。如果混合信号设计中必须采用分割平面，应确保两个平面仅在一点连接，因为多点连接会形成天线环路，成为电磁干扰辐射的主要来源。相比之下，采用完整的接地平面，并分别为模拟和数字器件布线，能够建立清晰的返回路径，从而降低整体电磁干扰。

使用 ECAD 工具管理设计

智能 ECAD 软件能够为混合信号设计提供有力支持。以走线布线为例，PCB 工具支持用户设置走线宽度和其他关键设计规则，以确保设计符合规范要求。尤其是在混合信号设计中，用户可以设置标准布线所需的各种走线宽度，如差分对、阻抗控制走线、不同的敏感模拟信号、电源和接地平面等。其他实用功能还包括3D 视图，该功能尤其适用于为设计配置 EMI 屏蔽罩的场景。