混合信号 PCB 的布局设计的基本准则是什么？

混合信号 PCB 设计需要对模拟和数字电路有基本的了解，以最大限度地减少（如果不能防止）信号干扰。现代系统由可在数字域和模拟域上运行的组件组成，这些组件必须经过设计，以确保整个系统的信号完整性。

PCB 布局作为混合信号开发过程的重要组成部分，而元件放置仅仅是个开始。此外，还必须考虑其他因素，包括板层以及如何正确管理这些因素，以最大限度地减少寄生电容器引起的干扰，这些寄生电容器可能会在 PCB 的平面间层之间无意中产生。

接地也是混合信号系统的 PCB 布局设计中的一个不可或缺的过程。虽然接地是业内经常争论的话题，但对于任何工程师来说，构建标准化方法可能并不总是最简单的任务。例如，单个质量接地问题可能会影响高性能混合信号 PCB 设计的整个布局。

1. 接地策略细化

ADC/DAC的接地处理 ：混合信号器件（如ADC）的接地引脚应直接连接至模拟地平面，但需通过单一接地点与数字地连接。强调"分而不离"原则，避免形成接地环路。

地平面分割与缝合 ：若采用分割地平面，需在接口处（如ADC下方）通过1-2mm窄缝隔离，并使用多个过孔缝合两侧地平面，确保高频返回路径连续。

2. 电源完整性增强

电源分割与去耦 ：

举例说明：3.3V数字电源与5V模拟电源平面应物理分隔，间距至少2mm，跨区信号通过磁珠或0Ω电阻连接。

去耦电容配置：建议10μF（低频）+0.1μF（高频）组合，紧贴器件电源引脚（<2mm），高频电容优先使用0402封装减小寄生电感。

LDO与开关电源布局 ：开关电源应远离敏感模拟区域，布局时使电感与IC的SW引脚回路面积最小化。

3. 信号完整性关键点补充

高速信号处理 ：

应用3W原则（线间距≥3倍线宽）减少串扰，关键信号（如时钟）采用包地处理，每100mil添加接地过孔。

差分对走线需严格等长（长度公差<5mil）、等距，避免参考平面不连续。

跨分割处理 ：禁止高速信号跨越地平面分割区，必要时使用桥接电容（如100pF）提供高频返回路径。

4. 热管理强化

散热设计 ：

对于外露焊盘器件，推荐使用4×4阵列0.3mm孔径散热过孔，填充导热膏连接至内部接地层。

大电流路径（如>5A）采用覆铜代替走线，并在铜皮上均匀分布散热过孔。

5. 设计验证与EMC

仿真与测试 ：建议在布局后使用SI/PI工具（如HyperLynx）进行反射和串扰仿真，预留测试点（TP）用于原型阶段的近场探头扫描。

EMC设计细节 ：

时钟信号线距板边至少3H（H为层间距），必要时添加接地屏蔽罩。

连接器位置：高速接口（如USB、HDMI）集中布置在同一侧，并采用共模滤波措施。

6. 文档规范与实例

电流承载能力 ：引用IPC-2221标准，提供不同温升下的载流表。例如，1oz铜、10°C温升时，20mil线宽载流约0.5A。

过孔电流计算 ：推荐使用在线计算器辅助。

7. 混合信号器件布局实例

以16位ADC为例，图示其布局要点：

模拟电源（AVDD）与数字电源（DVDD）独立铺铜，通过铁氧体磁珠连接。

基准电压源（REF）使用Guard Ring（保护环）包围，接模拟地。

数字输出信号经电阻排滤波后进入数字区域。

8. 层叠结构建议

推荐4层板叠构（自上而下）：一般来说，高性能数据收集系统应该有四层或更多层。顶层通常用于数字/模拟信号，而底层用于辅助信号。第二层（接地层）用作阻抗控制信号的参考平面，用于减少 IR 压降和屏蔽顶层的数字信号。最后，电源层位于第三层。

Top Layer（信号）

GND Plane（完整地平面）

Power Plane（分割为模拟/数字电源）

Bottom Layer（低速信号&接地敷铜）

8层板增加内层信号参考地平面，确保高速信号阻抗连续。

结论

混合信号应用的 PCB 布局可能具有挑战性。创建元件平面图只是一个起点。正确管理电路板层和准备适当的接地方案也是系统设计人员在尝试在混合信号系统布局中实现最佳性能时必须考虑的关键点的一部分。准备组件平面图将有助于设置系统设计的整体完整性。适当的板层组织将有助于管理整个板的电流和信号。最后，选择最有利的接地方案将提高系统的性能并防止出现任何嘈杂信号和返回电流的问题。