技術(shù)中心
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2022.09.08
模擬電路的工作依賴連續(xù)變化的電流和電壓。數(shù)字電路的工作依賴在接收端根據(jù)預(yù)先定義的電壓電平或門限對(duì)高電平或低電平的檢測(cè)，它相當(dāng)于判斷邏輯狀態(tài)的“真 ”或“假”。在數(shù)字電路的高電平和低電平之間，存在“灰色”區(qū)域，在此區(qū)域數(shù)字電路有時(shí)表現(xiàn)出模擬效應(yīng)，例如當(dāng)從低電平向高電平(狀態(tài))跳變時(shí)，如果數(shù)字信號(hào)跳變的速度足夠快，則將產(chǎn)生過沖和回鈴反射現(xiàn)象。
對(duì)于現(xiàn)代板極設(shè)計(jì)來說，混合信號(hào)PCB的概念比較模糊，這是因?yàn)榧词乖诩兇獾摹皵?shù)字”器件中，仍然存在模擬電路和模擬效應(yīng)。因此，在設(shè)計(jì)初期，為了可靠實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)序分配，必須對(duì)模擬效應(yīng)進(jìn)行仿真。實(shí)際上，除了通信產(chǎn)品必須具備無故障持續(xù)工作數(shù)年的可靠性之外，大量生產(chǎn)的低成本/高性能消費(fèi)類產(chǎn)品中特別需要對(duì)模擬效應(yīng)進(jìn)行仿真。
現(xiàn)代混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)是不同數(shù)字邏輯的器件越來越多，比如GTL、LVTTL、LVCMOS及LVDS邏輯，每種邏輯電路的邏輯門限和電壓擺幅都不同，但是，這些不同邏輯門限和電壓擺幅的電路必須共同設(shè)計(jì)在一塊PCB上。在此，通過透徹分析高密度、高性能、混合信號(hào)PCB的布局和布線設(shè)計(jì)，你可以掌握成功策略和技術(shù)。
一、混合信號(hào)電路布線基礎(chǔ)
當(dāng)數(shù)字和模擬電路在同一塊板卡上共享相同的元件時(shí)，電路的布局及布線必須講究方法。圖1所示的矩陣對(duì)混合信號(hào)PCB的設(shè)計(jì)規(guī)劃有幫助。只有揭示數(shù)字和模擬電路的特性，才能在實(shí)際布局和布線中達(dá)到要求的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖1：模擬和數(shù)字電路：混合信號(hào)設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面
在混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中，對(duì)電源走線有特別的要求并且要求模擬噪聲和數(shù)字電路噪聲相互隔離以避免噪聲耦合，這樣一來布局和布線的復(fù)雜性就增加了。對(duì)電源傳輸線的特殊需求以及隔離模擬和數(shù)字電路之間噪聲耦合的要求，使混合信號(hào)PCB的布局和布線的復(fù)雜性進(jìn)一步增加。
如果將A/D轉(zhuǎn)換器中模擬放大器的電源和A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源接在一起，則很有可能造成模擬部分和數(shù)字部分電路的相互影響。或許，由于輸入/輸出連接器位置的緣故，布局方案必須把數(shù)字和模擬電路的布線混合在一起。
在布局和布線之前，工程師要弄清楚布局和布線方案的基本弱點(diǎn)。即使存在虛假判斷，大部分工程師傾向利用布局和布線信息來識(shí)別潛在的電氣影響。
二、現(xiàn)代混合信號(hào)PCB的布局和布線
下面將通過OC48接口卡的設(shè)計(jì)來闡述混合信號(hào)PCB 布局和布線的技術(shù)。OC48代表光載波標(biāo)準(zhǔn)48，基本上面向2.5Gb串行光通訊，它是現(xiàn)代通訊設(shè)備中高容量光通訊標(biāo)準(zhǔn)的一種。OC48接口卡包含若干典型混合信號(hào)PCB的布局和布線問題，其布局和布線過程將指明解決混合信號(hào)PCB布局方案的順序和步驟。
圖2：OC48接口卡的邏輯
如圖2所示，OC48卡包含一個(gè)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)和模擬電信號(hào)雙向轉(zhuǎn)換的光收發(fā)器。模擬信號(hào)輸入或輸出數(shù)字信號(hào)處理器，DSP將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯電平，從而可與微處理器、可編程門陣列以及在OC48卡上的DSP和微處理器的系統(tǒng)接口電路相連接。獨(dú)立的鎖相環(huán)、電源濾波器和本地參考電壓源也集成在一起。
其中，微處理器是一個(gè)多電源器件，主電源為2V，3.3V的I/O信號(hào)電源由板上其他數(shù)字器件共享。獨(dú)立數(shù)字時(shí)鐘源為OC48 I/O、微處理器和系統(tǒng)I/O提供時(shí)鐘。
經(jīng)過檢查不同功能電路塊的布局和布線要求，初步建議采用12層板，如圖3所示。微帶和帶狀線層的配置可以安全地減少鄰近走線層的耦合并改善阻抗控制。第一層和第二層之間設(shè)置接地層，將把敏感的模擬參考源、CPU核和PLL濾波器電源的布線與在第一層的微處理器和DSP器件相隔離。電源和接地層總是成對(duì)出現(xiàn)的，與OC48卡上為共享3.3V電源層所做的一樣。這樣將降低電源和地之間的阻抗，從而減少電源信號(hào)上的噪聲。
要避免在鄰近電源層的地方走數(shù)字時(shí)鐘線和高頻模擬信號(hào)線，否則，電源信號(hào)的噪聲將耦合到敏感的模擬信號(hào)之中。
要根據(jù)數(shù)字信號(hào)布線的需要，仔細(xì)考慮利用電源和模擬接地層的開口(split)，特別是在混合信號(hào)器件的輸入和輸出端。在鄰近信號(hào)層穿過一開口走線會(huì)造成阻抗不連續(xù)和不良的傳輸線回路。這些都會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量、時(shí)序和EMI問題。
有時(shí)增加若干接地層，或在一個(gè)器件下面為本地電源層或接地層使用若干外圍層，就可以取消開口并避免出現(xiàn)上述問題，在OC48接口卡上就采用了多個(gè)接地層。保持開口層和布線層位置的層疊對(duì)稱可以避免卡變形并簡(jiǎn)化制作過程。由于1盎司覆銅板耐大電流的能力強(qiáng)，3.3V電源層和對(duì)應(yīng)的接地層要采用1盎司覆銅板，其它層可以采用0.5盎司覆銅板，這樣，可以降低暫態(tài)高電流或尖峰期間引起的電壓波動(dòng)。
如果你從接地層往上設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)采用0.093英寸和0.100英寸厚度的卡以支撐布線層及接地隔離層。卡的厚度還必須根據(jù)過孔焊盤和孔的布線特征尺寸調(diào)整，以便使鉆孔直徑與成品卡厚度的寬高比不超過制造商提供的金屬化孔的寬高比。
如果要用最少的布線層數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)低成本、高產(chǎn)量的商業(yè)產(chǎn)品，則在布局或布線之前，要仔細(xì)考慮混合信號(hào)PCB上所有特殊電源的布線細(xì)節(jié)。在開始布局和布線之前，要讓目標(biāo)制造商復(fù)查初步的分層方案。基本上要根據(jù)成品的厚度、層數(shù)、銅的重量、阻抗(帶容差)和最小的過孔焊盤和孔的尺寸來分層，制造商應(yīng)該書面提供分層建議。
建議中要包含所有受控阻抗帶狀線和微帶線的配置實(shí)例。要將你對(duì)阻抗的預(yù)測(cè)與制造商對(duì)阻抗的結(jié)合起來考慮，然后，利用這些阻抗預(yù)測(cè)可以驗(yàn)證用于開發(fā)CAD布線規(guī)則的仿真工具中的信號(hào)布線特性。
三、OC48卡的布局
在光收發(fā)器和DSP之間的高速模擬信號(hào)對(duì)外部噪聲非常敏感。同樣，所有特殊電源和參考電壓電路也使該卡的模擬和數(shù)字電源傳輸電路之間產(chǎn)生大量的耦合。有時(shí)，受機(jī)殼形狀的限制，不得不設(shè)計(jì)高密度板卡。由于外部光纜接入卡的方位和光收發(fā)器部分元件尺寸較高，使收發(fā)器在卡中的位置很大程度上被固定死。系統(tǒng) I/O連接器位置和信號(hào)分配也是固定的。這是布局之前必須完成的基礎(chǔ)工作(見圖4)。
與大多數(shù)成功的高密度模擬布局和布線方案一樣，布局要滿足布線的要求，布局和布線的要求必須互相兼顧。對(duì)一塊混合信號(hào)PCB的模擬部分和2V工作電壓的本地CPU內(nèi)核，不推薦采用“先布局后布線”的方法。對(duì)OC48卡來說，DSP模擬電路部分包含有模擬參考電壓和模擬電源旁路電容的部分應(yīng)首先互動(dòng)布線。完成布線后，具有模擬元件和布線的整個(gè)DSP要放到距離光收發(fā)器足夠近的地方，充分保證高速模擬差分信號(hào)到DSP的布線長(zhǎng)度最短、彎曲和過孔最少。差分布局和布線的對(duì)稱性將減少共模噪聲的影響。但是，在布線之前很難預(yù)測(cè)布局的最佳方案(見圖5)。
要向芯片分銷商咨詢PCB排板的設(shè)計(jì)指南。在按照指南設(shè)計(jì)之前，要與分銷商的應(yīng)用工程師充分交流。許多芯片分銷商對(duì)提供高質(zhì)量的布板建議有嚴(yán)格的時(shí)間限制。有時(shí)，他們提供的解決方案對(duì)于使用該器件的“一級(jí)客戶”是可行的。在信號(hào)完整性(SI)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，新器件的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)特別重要。根據(jù)分銷商的基本指南并與封裝中每條電源和接地引腳的特定要求相結(jié)合，就可以開始對(duì)集成了DSP和微處理器的OC48卡布局布線。
高頻模擬部分的位置和布線確定后，就可以按照框圖中所示的分組方法放置其余的數(shù)字電路。要注意仔細(xì)設(shè)計(jì)下列電路：對(duì)模擬信號(hào)靈敏度高的CPU中PLL電源濾波電路的位置；本地CPU內(nèi)核電壓調(diào)整器；用于“數(shù)字”微處理器的參考電壓電路。
數(shù)字布線的電氣和制造準(zhǔn)則規(guī)范此時(shí)才可以恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到設(shè)計(jì)之中。前述對(duì)高速數(shù)字總線和時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)完整性的設(shè)計(jì)，揭示出一些對(duì)處理器總線、平衡Ts及某些時(shí)鐘信號(hào)布線的時(shí)滯匹配的特殊布線拓?fù)湟蟆５悄慊蛟S不知道，也有人提出更新的建議，即增加若干端接電阻。
在解決問題的過程中，布板階段做一些調(diào)整是當(dāng)然的事。但是，在開始布線之前，很重要的一步是按照布局方案驗(yàn)證數(shù)字部分的時(shí)序。此時(shí)此刻，對(duì)板卡進(jìn)行完整DFM/DFT布局復(fù)查將有助于確保該卡滿足客戶的需要。
四、OC48卡的數(shù)字布線
對(duì)于數(shù)字器件電源線和混合信號(hào)DSP的數(shù)字部分，數(shù)字布線要從SMD出路圖(escape patterns)開始。要采用裝配工藝允許的最短和最寬的印制線。對(duì)于高頻器件來說，電源的印制線相當(dāng)于小電感，它將惡化電源噪聲，使模擬和數(shù)字電路之間產(chǎn)生不期望的耦合。電源印制線越長(zhǎng)，電感越大。
采用數(shù)字旁路電容可以得到最佳的布局和布線方案。簡(jiǎn)言之，根據(jù)需要微調(diào)旁路電容的位置，使之安裝方便并分布在數(shù)字部件和混合信號(hào)器件數(shù)字部分的周圍。要采用同樣的“最短和最寬的走線”方法對(duì)旁路電容出路圖進(jìn)行布線。
當(dāng)電源分支要穿過連續(xù)的平面時(shí)(如OC48接口卡上的3.3V電源層)，則電源引腳和旁路電容本身不必共享相同的出口圖，就可以得到最低的電感和ESR旁路。在OC48接口卡這樣的混合信號(hào)PCB上，要特別注意電源分支的布線。記住，要在整個(gè)卡上以矩陣排列的形式放置額外的旁路電容，即使在無源器件附近也要放置 (見圖6)。
電源出路圖確定之后，就可以開始自動(dòng)布線。OC48卡上的ATE測(cè)試觸點(diǎn)要在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)定義。要確保ATE接觸到100%的節(jié)點(diǎn)。為了以0.070英寸的最小ATE測(cè)試探頭實(shí)現(xiàn)ATE測(cè)試，必須保留引出過孔(breakout via)的位置，以保證電源層不會(huì)被過孔的反面焊盤(antipads)交叉所隔斷。
如果要采用一個(gè)電源和接地層開口(split)方案，應(yīng)在平行于開口的鄰近布線層上選擇偏移層(layer bias)。在鄰近層上按該開口區(qū)域的周長(zhǎng)定義禁止布線區(qū)，防止布線進(jìn)入。如果布線必須穿過開口區(qū)域到另一層，應(yīng)確保與布線相鄰的另一層為連續(xù)的接地層。這將減少反射路徑。讓旁路電容跨過開口的電源層對(duì)一些數(shù)字信號(hào)的布板有好處，但不推薦在數(shù)字和模擬電源層之間進(jìn)行橋接，這是因?yàn)樵肼晻?huì)通過旁路電容互相耦合。
若干最新的自動(dòng)布線應(yīng)用程序能夠?qū)Ω呙芏榷鄬訑?shù)字電路進(jìn)行布線。初步布線階段要在SMD出口中使用0.050英寸大尺寸過孔間距和考慮所使用的封裝類型，后續(xù)布線階段要容許過孔的位置互相靠得比較近，這樣所有工具都能實(shí)現(xiàn)最高的布通率和最低的過孔數(shù)。由于OC48處理器總線采用一種改進(jìn)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在自動(dòng)布線時(shí)其優(yōu)先級(jí)最高(見圖7)。
總結(jié)
OC48卡布板完成之后要進(jìn)行信號(hào)完整性核查和時(shí)序仿真。仿真證明布線指導(dǎo)達(dá)到預(yù)期的要求并改善了第二層總線的時(shí)序指標(biāo)。最后進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、最終制造的復(fù)查、光罩和復(fù)查并簽發(fā)給制造者，則布板任務(wù)才正式結(jié)束
