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如何對(duì)包含數(shù)?;旌系?PCB 設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的控制

發(fā)布時(shí)間:2018-04-10 來(lái)源:電子設(shè)計(jì) 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】很多產(chǎn)品都包含數(shù)模混合的 PCB 設(shè)計(jì),不同的信號(hào)具有不同的抗干擾能力。在互連設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)不同信號(hào)之間的串?dāng)_進(jìn)行合理的控制才能保證最終產(chǎn)品的指標(biāo)要求。
 
 
對(duì)于以下基本概念的理解非常重要,掌握有關(guān)數(shù)?;旌显O(shè)計(jì)的基本概念,有助于理解后面制定得很?chē)?yán)格的布局和布線設(shè)計(jì)規(guī)則,從而在終端產(chǎn)品數(shù)?;旌系脑O(shè)計(jì)時(shí),不會(huì)輕易打折執(zhí)行其中的重要約束規(guī)則。并且有助于靈活有效地處理數(shù)?;旌显O(shè)計(jì)方面可能遇到的串?dāng)_問(wèn)題。
 
 
1. 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)在抗干擾能力方面的重要區(qū)別
 
數(shù)字信號(hào)電平有較強(qiáng)的抗干擾能力,而模擬信號(hào)的抗干擾能力很差。
 
舉個(gè)例子,3V 電平的數(shù)字信號(hào),即使接收到 0.3V 的串?dāng)_信號(hào),也可以容忍,不會(huì)對(duì)邏輯狀態(tài)產(chǎn)生影響。但在模擬信號(hào)領(lǐng)域,有些信號(hào)極微弱,例如 GSM 手機(jī)的接收靈敏度能夠做到-110dBm 的指標(biāo),僅相當(dāng)于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 數(shù)量級(jí)的帶內(nèi)干擾噪聲,也足以使基站接收靈敏度大幅度劣化。這種輕微干擾可能來(lái)自數(shù)字控制信號(hào)線或電源地線上的細(xì)小的噪聲。
 
 
從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看,數(shù)字信號(hào)一般只在板上或框內(nèi)傳送。比如內(nèi)存總線信號(hào)、電源控制信號(hào)等,只要保證從發(fā)送端到接收端接收到的干擾不足以影響邏輯狀態(tài)的判別即可。而模擬信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)制、變頻、放大、發(fā)射、空間傳播、接收、解調(diào)等一系列過(guò)程才能被回復(fù)。在此過(guò)程之中噪聲不斷地跌價(jià)到信號(hào)上,從系統(tǒng)的角度來(lái)講必須保證最終的信噪比滿(mǎn)足要求才能正確解調(diào)。最大的干擾來(lái)自空間傳播的衰減和噪聲,為了達(dá)到更好的通訊性能,必須盡可能減小板內(nèi)互連引入的串?dāng)_。
 
 
因此可以認(rèn)為,模擬信號(hào)對(duì)串?dāng)_的要求比數(shù)字信號(hào)高幾十倍,甚至有可能達(dá)到幾萬(wàn)倍。
 
 
2. 高精度 ADC、DAC 電路
 
理想情況下,線性 ADC、DAC 電路信噪比與轉(zhuǎn)換位數(shù)間的關(guān)系是:
SNR=10Log(F2/N2)=10Log[A2/2/(A2/3×2n)]=6.02n+1.76 dB
 
對(duì)于14位的線性ADC、DAC,如果使最低位數(shù)據(jù)(LSB)有效,可計(jì)算出的理論上的信噪比為 86dBc,與數(shù)字電路約 20dBc 的串?dāng)_要求相比,高精度 14 位線性 ADC、DAC 對(duì)噪聲的要求至少比數(shù)字信號(hào)高 1000 倍。當(dāng)然,如果最低有效位數(shù)只需要 11 位,串?dāng)_要求就可以適當(dāng)放低,但仍然比數(shù)字信號(hào)的要求高很多。
 
 
上面的兩種情況,說(shuō)明數(shù)?;旌蠁伟逯校M電路極易受到干擾,會(huì)影響信噪比等指標(biāo)。所以在數(shù)模混合單板 PCB 設(shè)計(jì)過(guò)程中,要對(duì)布局布線提出很高的要求。
 

3. 數(shù)字信號(hào)對(duì)于模擬信號(hào)是強(qiáng)干擾源
 
數(shù)字信號(hào)的電平相對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)講非常高,并且數(shù)字信號(hào)包含有豐富的諧波頻率,因此數(shù)字信號(hào)對(duì)于模擬信號(hào)而言,本身就是很強(qiáng)的干擾源。特別是大電流的時(shí)鐘信號(hào)、開(kāi)關(guān)電源等更是在數(shù)?;旌显O(shè)計(jì)中需要關(guān)注的強(qiáng)干擾源。

4. 數(shù)模混合互連設(shè)計(jì)的根本目的
 
我們可以這樣來(lái)理解數(shù)模設(shè)計(jì)問(wèn)題,對(duì)于數(shù)字電路我們遵循數(shù)字電路的設(shè)計(jì)規(guī)則,在數(shù)字電路區(qū)域, 可以允許較大的干擾存在, 只要不影響系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和對(duì)外 EMC 指標(biāo)即可。
 
我們這里所講的“較大”是相對(duì)于模擬電路而言的。對(duì)于數(shù)字電路,我們沒(méi)有必要也不可能象對(duì)待模擬電路一樣地控制串?dāng)_的存在。對(duì)于模擬電路,我們必須遵循模擬電路的設(shè)計(jì)規(guī)則,在模擬電路區(qū)域所允許存在的干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)字電路區(qū)域。
 
數(shù)模混合互連設(shè)計(jì)的目的就是要通過(guò)合理的布局、布線、屏蔽、濾波、電源地分割等設(shè)計(jì)方法來(lái)保證數(shù)字信號(hào)的干擾只存在于數(shù)字信號(hào)區(qū)域。
 
我們需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容包括干擾源、敏感電路、干擾途徑。下面將從這 3 個(gè)方面來(lái)講述采用的布局布線原則。成功的數(shù)模混合單板設(shè)計(jì)必須仔細(xì)注意整個(gè)過(guò)程中每個(gè)步驟及每個(gè)細(xì)節(jié)才有可能實(shí)現(xiàn),這意味著必須在設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃,并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟的工作進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)地評(píng)估。對(duì)于布局和布線必須仔細(xì)地檢查和核對(duì),要保證百分之百遵守布局布線規(guī)則。否則,一條信號(hào)線走線不當(dāng)就會(huì)徹底破壞一個(gè)本來(lái)非常不錯(cuò)的電路板。
 
規(guī)則是死的,透過(guò)規(guī)則深刻理解原則才能保證我們能正確運(yùn)用規(guī)則,完成優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。
 



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