ADI设计峰会——高速和RF设计考虑

ADI设计峰会——高速和RF设计考虑 by ADIForum

实现更高信号处理性能的高级技术

◆ 今日议程

• PCB布局概览
• 原理图
• 关键元件定位和信号布线
• 电源旁路
• 寄生效应、过孔和放置
• 接地层
• 布局回顾
• 总结

◆ 概述

•    何为高速？

         超出此频率，PCB将极大地降低电路性能。(The frequency above which a PCB can significantly degrade circuit performance.) 50MHz及以上可视为高速。

• PCB布局是设计流程的最后步骤之一，往往未得到足够的重视。高速电路的性能与电路板布局密切相关。
• 今天我们将介绍
  • 一些实用的布局原则，它们有利于：
  • 完善布局流程
  • 帮助确保电路的预期性能
  • 缩短设计时间
  • 降低设计成本

◆ 原理图

• 良好的布局要以出色的原理图为基础！
• 原理图基本功能
  • 表示实际电路连接
  • 生成用于布局的NetList
• 能更高效吗？
  • 能更清楚地表示功能吗？
  • 其他人能够理解电路
  • 能显示信号路径吗？
  • 协助布局
  • 协助故障排除、调试
  • 表示功能
• 能更吸引人吗？
  • 可增加认知价值
• 有效的原理图可加快产品上市速度

原理图 – 示例。看上去好点了吗？

原理图 – 一个更复杂的电路

◆ 元器件放置和信号布线

• • 就如房地产一样，位置决定一切！
  • 电路板上的输入/输出和电源连接一般都是既定的
  • 元器件的位置和信号路由需要谨慎考虑、细致规划
• 板层的使用

• 板层的挖空

• 信号布线

          位置已优化 – 理想

          位置未优化 – 尽量减少交叉

• 回路路由

• 示例

• • 两个输入。二者确保平衡。
  • 增益和反馈。二者确保对称。
  • 输出。二者确保对称。
  • 电平转换接入信号路径。二者确保对称。
  • 辅助功能。
  • 关键信号路径尽量短。
  • 关键信号路径采用备用路径，保持平衡。

• 封装和引脚排列选项

   封装在高速应用中发挥着重要作用

• 小型封装
  • 更佳的高频响应
  • 紧凑的布局
  • 更低的封装寄生效应

• 低失真引脚排列（专用反馈）
  • 紧凑的布局
  • 流线型信号流
  • 更低失真

◆ AD8099谐波失真与频率的关系 

   CSP和SOIC封装

• PCB

• 典型62mil(1.6mm) 6层PCB层叠

          顶部丝印

• • 与底部丝印相同
  • 印有组装和/或元器件ID信
  • 仅提供信息。不影响性能。非必须
  • 信息包括文字、线条、形状。
  • 若信息放置的位置未经仔细考虑，信息将毫无用处。
  • 文字的高度与线条宽的比值应
  • 文字的高度与线条宽度的比值应大于12，以便文字可辨认。
  • 不要将文字放在过孔、孔洞、接合焊盘位置。
  • 接合焊盘之间保持最小距离。
  • 各厂商产品质量有所不同，边沿尖利到肮脏都有可能。

信号布线

• 使用GND和PWR
  • 使用“焊盘过孔”法将焊盘与层相连，可最大程度降低寄生效应
• 将功能模块的元器件尽可能靠近放置
  • 手动放置时，0.5 mm的器件间隔便已足够
• 最大程度减少信号走线上的过孔。越少越好。
  • 保证同一个功能模块中的走线位于同一层。
• 使用隔板电容进行旁路
• 保持相邻板层之间尽可能靠近
  • 避免不必要的过孔穿透板层。
  • 避免挖空板层
• 尽量保持走线笔直
  • 尽可能减少转向和转弯

示例

性能与PCB

性能与元器件位置

串扰和耦合

• 容性串扰或耦合
  • 源于上下平行走线，结果形成寄生电容
  • 解决办法是垂直走线，减少走线耦合和面积
• 感性串扰
  • 感性串扰源于长距离并行走线之间磁场的交互作用
  • 感性串扰分为两类：正向和逆向
  • 逆向串扰指离受影响走线上的驱动器最近的噪声
  • 正向串扰指离所驱线路上的驱动器最远的噪声
• 通过以下方式尽量减少串扰
  • 增加走线间隔（改进隔离）
  • 使用防护走线
  • 使用差分信号

电源旁路

• 旁路是确保高速电路性能的必要手段
• 把电容置于电源引脚处
  • 电容提供低阻抗交流回路 
  • 为快速上升/下降沿提供局部电荷存储空间

• 尽量缩短走线长度

• 靠近负载回路
  • 有助于减少接地层中的瞬态电流

优化的负载和旁路电容放置和接地回路

电路板电容

电源层电容

电容模型

电容选择

电源旁路

• 旁路是确保高速电路性能的必要手段
• 把电容置于电源引脚处
  • 电容提供低阻抗交流回路
  • 为快速上升/下降沿提供局部电荷存储空间
• 尽量缩短走线长度
• 靠近负载回路
  • 有助于减少接地层中的 瞬态电流
• 价值
  • 单个电路的性能
  • 使交流阻抗保持于低位
  • 多次谐振
• 铁氧体磁珠

多个并联电容 

寄生效应

走线/焊盘电容和电感

• 内部或底部板层
  • 形成隔板电容，其下有电源层（未显示）。
• 间距
  • 较长的距离可消除与其上受控阻抗层的相互影响。
• 受控阻抗层
  • 顶部信号层的走线，与该层之间的距离形成传输线，具有特性阻抗。
• 顶部（信号）层
  • 具有信号走线和元件接合焊盘。
  • 走线为传输线路，具有特性阻抗
• 顶部焊接屏蔽
  • 可影响特性阻抗

走线/焊盘电容和电感

过孔寄生效应

过孔放置*

电容寄生模型

     C = 电容

     RP = 绝缘电阻

     RS = 等效串联电阻(ESR)

     L = 引脚和层板的电感

     RDA = 电介质吸收

     CDA = 电介质吸收

电阻寄生模型

     R = 电阻

     CP = 并联电容

     L= 等效串联电感(ESL)

低频运算放大器原理图

高速运算放大器原理图

高频运算放大器原理图

寄生电容仿真原理图

寄生电容为1.5pF时的频率响应 

寄生电感

寄生电感仿真原理图

有接地平面和没有接地平面两种情况下的脉冲响应

•     振荡显示了高速运算放大器同相输入端长度为2.54cm的走线的影响。
• 其等效电感约为29nH，足以造成持续的低压振荡。

接地层和电源层提供

•    共同参考点
• 屏蔽
• 降低噪声
• 减少寄生效应
• 散热
• 功率分布
• 高值电容

有关接地层和电源层的建议

•    不存在100% 有效的单一接地方法！
• 各PCB板必须至少有一层专用于接地层！
• 尽量增加接地层，尤其是在高工作频率的走线下方
• 尽量使用可行的厚金属（降低电阻、增进散热）
• 使用多个过孔将相同的接地层连在一起
• 开始设计布局时，为模拟和数字接地层设置专用层，仅在必要时分离
• 遵循混合信号器件数据手册提出的建议。
• 使旁路电容和负载回路尽量靠近，以降低失真
• 为模拟和数字接地层的连接提供跳线选项

内容回顾

•     高速PCB的设计需要深思熟虑、注重细节！
• 在原理图上提供尽量多的信息
• 元件在电路板上的位置就像整个电路的定位一样重要
• 设计电路板布局时要有预见性，切勿听天由命
• 在电源旁路中使用多个电容
• 必须考虑并处理好寄生效应
• 接地层和电源层在降低噪声、减少寄生效应方面发挥着关键作用
• 新型封装和引脚排列有利于改善性能、提高布局的紧凑性
• 信号分布有多种方式可供选择，切记选择适用的方式
• 检查布局时千万要仔细

电磁兼容性(EMC)

• EMC有两个方面：
  • 它表示电子系统保持正常工作且不干扰其它系统的能力
  • 它还表示此类系统在额定电磁环境中按预期工作的能力
• 主要的规范为IEC-60050和IEC1000
• 详细信息，可参考ADI网站上的指南MT-095和模拟对话30-4 (www.analog.com)
• 不符合这些要求将会影响设备性能
• 不符合这些要求将严重限制设备出售给客户的能力

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