純模擬電路走線(xiàn)看起來(lái)不像高速數(shù)字電路那樣有嚴(yán)格的時(shí)序和阻抗要求但真正畫(huà)過(guò)的人都知道“看起來(lái)簡(jiǎn)單”恰恰是最大的坑。模擬電路對(duì)噪聲、地彈、串?dāng)_、溫漂都很敏感走線(xiàn)稍微不合理調(diào)板子的時(shí)候就是無(wú)窮無(wú)盡的折騰。這次我們結(jié)合西電PCB設(shè)計(jì)指南直播第4次講到的純模擬電路走線(xiàn)內(nèi)容把“純模擬電路怎么走線(xiàn)”這件事拆開(kāi)講清楚。文章會(huì)覆蓋布局分區(qū)、地線(xiàn)處理、電源走線(xiàn)、信號(hào)走線(xiàn)、關(guān)鍵器件擺放到層疊選擇與排查方法適合正在做傳感器采集、運(yùn)放放大、電源調(diào)理、音頻處理等模擬板卡的工程師參考。本文的定位是“能用得上”的布線(xiàn)方法不是教科書(shū)式的羅列。我會(huì)把模擬電路PCB設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的幾類(lèi)問(wèn)題——地環(huán)路、電源噪聲耦合、信號(hào)線(xiàn)串?dāng)_、布局不合理導(dǎo)致的功能異常——用實(shí)際操作層面的思路講透。如果你剛接觸PCB設(shè)計(jì)或者已經(jīng)畫(huà)過(guò)幾塊板但總感覺(jué)模擬部分不好調(diào)這篇文章可以直接收藏。1. 純模擬電路布線(xiàn)核心要點(diǎn)速覽在展開(kāi)細(xì)節(jié)之前先給一張速覽表把純模擬電路走線(xiàn)中最關(guān)鍵的決策點(diǎn)列出來(lái)方便你對(duì)照自己的板子做檢查。設(shè)計(jì)要素推薦做法常見(jiàn)錯(cuò)誤布局順序先分區(qū)、再布局、后走線(xiàn)一邊走線(xiàn)一邊挪器件導(dǎo)致回流路徑混亂地線(xiàn)策略單點(diǎn)接地為主分區(qū)地平面必要時(shí)開(kāi)爾文走線(xiàn)數(shù)字地和模擬地混淆地環(huán)路過(guò)多電源走線(xiàn)電源路徑短而寬保證過(guò)電流能力電源線(xiàn)過(guò)細(xì)去耦電容離芯片太遠(yuǎn)信號(hào)走線(xiàn)短、直、遠(yuǎn)離干擾源關(guān)鍵信號(hào)加保護(hù)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)交叉走線(xiàn)繞遠(yuǎn)路層疊選擇四層板優(yōu)于雙層板保證完整參考平面盲目用雙層板且地平面被走線(xiàn)割裂去耦電容靠近電源引腳放置先大后小電容放得太遠(yuǎn)失去高頻去耦作用屏蔽處理對(duì)敏感模擬信號(hào)用保護(hù)環(huán)或包地保護(hù)環(huán)沒(méi)有接地變成天線(xiàn)等長(zhǎng)與蛇形模擬電路一般不刻意等長(zhǎng)除非差分對(duì)把等長(zhǎng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤應(yīng)用到非高速模擬線(xiàn)從這張表能看出純模擬電路走線(xiàn)的核心不是“繞等長(zhǎng)”“走蛇形”而是控制回流路徑、降低噪聲耦合、保證電源和地平面完整。下面逐項(xiàng)展開(kāi)講。2. 模擬電路與數(shù)字電路布線(xiàn)的本質(zhì)差異先說(shuō)清楚一個(gè)前提純模擬電路走線(xiàn)和數(shù)字電路走線(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)完全不同。數(shù)字電路關(guān)心的是“門(mén)限電平”和“時(shí)序裕量”只要信號(hào)在邊沿處能可靠地識(shí)別0和1中間過(guò)程有點(diǎn)噪聲問(wèn)題不大模擬電路關(guān)心的是“信號(hào)的精確幅度”任何一點(diǎn)噪聲疊加都會(huì)直接進(jìn)入輸出信號(hào)。這就決定了兩種布線(xiàn)策略的出發(fā)點(diǎn)不同。數(shù)字電路的布線(xiàn)核心是控制信號(hào)完整性、時(shí)序長(zhǎng)度匹配和回流面積所以會(huì)有等長(zhǎng)、蛇形走線(xiàn)、阻抗匹配這些要求。模擬電路的布線(xiàn)核心是隔離干擾、穩(wěn)定直流工作點(diǎn)、低噪聲耦合。即使信號(hào)頻率只有幾十kHz只要系統(tǒng)里存在開(kāi)關(guān)電源、繼電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者數(shù)字邏輯干擾源模擬走線(xiàn)考慮不到位輸出信號(hào)就可能帶著周期性毛刺或隨機(jī)尖峰。另一個(gè)差異是阻抗控制。很多做數(shù)字板的工程師習(xí)慣了“差分對(duì)要做100歐姆阻抗”“單端要做50歐姆阻抗”但在模擬電路里除非信號(hào)頻率非常高或者走線(xiàn)非常長(zhǎng)否則一般不需要嚴(yán)格做阻抗匹配。模擬電路的主要矛盾是噪聲和干擾而不是反射。當(dāng)然如果板子里的模擬信號(hào)是射頻信號(hào)或者高頻中頻信號(hào)阻抗控制還是要做但本文先聚焦常規(guī)低頻模擬電路。還有一個(gè)容易被忽略的差異是“器件擺位對(duì)電路功能的影響”。數(shù)字電路里邏輯芯片的擺放位置只要不影響布線(xiàn)難度和時(shí)序幾乎不改變功能模擬電路不一樣運(yùn)放的位置、反饋電阻的位置、電容的位置都會(huì)影響電路的實(shí)際性能。比如反饋電阻離運(yùn)放輸入端太遠(yuǎn)走線(xiàn)又細(xì)又長(zhǎng)寄生電感就容易讓電路產(chǎn)生高頻自激基準(zhǔn)電容離基準(zhǔn)芯片太遠(yuǎn)輸出噪聲就會(huì)明顯惡化。這也是為什么很多模擬板卡需要“按原理圖信號(hào)流向布局”而不是“按網(wǎng)絡(luò)表自動(dòng)布局”。簡(jiǎn)而言之模擬電路走線(xiàn)不是“把線(xiàn)連通就行”而是“連通的路徑要滿(mǎn)足電路對(duì)噪聲和寄生參數(shù)的要求”。這個(gè)思路貫穿全文。3. 布局規(guī)劃先分區(qū)再走線(xiàn)純模擬電路畫(huà)板的第一步不是走線(xiàn)而是布局。布局決定了走線(xiàn)的空間和回流路徑的走向。如果布局不對(duì)后面再怎么優(yōu)化走線(xiàn)都事倍功半。先說(shuō)分區(qū)。一塊完整的模擬板卡通常包含多個(gè)功能模塊例如信號(hào)調(diào)理、濾波、放大、基準(zhǔn)源、電源轉(zhuǎn)換。在PCB布局階段應(yīng)該先按功能模塊把板面劃分清楚讓信號(hào)按“輸入 → 調(diào)理 → 處理 → 輸出”的方向順序流過(guò)板卡。不要讓輸入接口和處理電路隔著整個(gè)板子相對(duì)否則信號(hào)線(xiàn)只能繞大圈回路面積變大外界干擾就更容易耦合進(jìn)來(lái)。布局時(shí)要重點(diǎn)考慮幾個(gè)問(wèn)題第一強(qiáng)干擾器件和敏感器件要拉開(kāi)距離。電源變換電路、繼電器、晶振、數(shù)字邏輯芯片都屬于強(qiáng)干擾源運(yùn)放輸入級(jí)、基準(zhǔn)電壓源、傳感器接口屬于敏感器件。兩者的間距至少要留有足夠的空間優(yōu)先用地平面分割和屏蔽手段做隔離。很多板卡出問(wèn)題就是布局時(shí)把DC-DC芯片放在了運(yùn)放輸入的正旁邊結(jié)果輸出紋波不管怎么濾波都?jí)翰幌氯ァ５诙盘?hào)流向要清晰避免“回頭路”。模擬信號(hào)最好從板卡一端進(jìn)入經(jīng)過(guò)處理后再?gòu)牧硪欢溯敵霾蛔呋仡^路。如果布局時(shí)輸入端在右、放大電路在左、輸出又回到右信號(hào)線(xiàn)就會(huì)橫向穿過(guò)整個(gè)板子和電源線(xiàn)、控制線(xiàn)大面積交疊串?dāng)_概率成倍上升。第三熱敏感器件要避開(kāi)熱源。模擬電路里有很多參數(shù)和溫度相關(guān)比如基準(zhǔn)電壓源、精密運(yùn)放、傳感器。功率電阻、穩(wěn)壓器、功率MOS管這些發(fā)熱器件不要放在精密模擬電路旁邊。散熱風(fēng)道也要提前考慮避免局部熱量聚集導(dǎo)致電路漂移。第四連接器位置決定“參考地”。板卡對(duì)外接口如排針、端子、同軸連接器的位置會(huì)直接決定回流路徑。接口處的地引腳和板內(nèi)模擬地要形成低阻抗連接不能讓連接器的地電流繞一個(gè)大圈再回到電源地平面。布局階段的核心原則是模擬板卡的布局要能畫(huà)出一條“最短、最直接、不交叉”的信號(hào)主路徑同時(shí)把敏感的模擬區(qū)域和干擾源分開(kāi)。如果布局時(shí)做到了這一點(diǎn)后面走線(xiàn)就順了。4. 地線(xiàn)設(shè)計(jì)純模擬電路布線(xiàn)的生命線(xiàn)地線(xiàn)是模擬電路布線(xiàn)中最重要、也最容易出問(wèn)題的部分。模擬電路的每一個(gè)信號(hào)最終都要通過(guò)地形成回路地線(xiàn)上的任何噪聲都會(huì)疊加到信號(hào)中。4.1 單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地純模擬電路推薦采用單點(diǎn)接地也就是把各個(gè)模塊的地只在一個(gè)點(diǎn)連接到系統(tǒng)地。這樣做的好處是避免多個(gè)地回路之間的電位差形成地環(huán)路電流把噪聲耦合到敏感電路。舉個(gè)例子傳感器、運(yùn)放、ADC三部分電路各有自己的地如果它們分別在多個(gè)位置連接到地平面地平面上的電流就會(huì)在三個(gè)接地點(diǎn)之間形成電位差相當(dāng)于在運(yùn)放的輸入?yún)⒖级睡B加了一個(gè)噪聲電壓。采用單點(diǎn)接地后三個(gè)模塊的地先匯聚到一個(gè)點(diǎn)再連接到系統(tǒng)地地環(huán)路電流就被切斷。單點(diǎn)接地并不是要求每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都獨(dú)立走一根地線(xiàn)到一點(diǎn)那樣既不現(xiàn)實(shí)也不利于高頻性能。實(shí)際工程中常用的做法是模擬電路區(qū)域使用完整的地平面但通過(guò)布局和分區(qū)把地電流的流向控制住然后在模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)交界處用磁珠、0歐電阻或接地銅橋做單點(diǎn)連接。4.2 開(kāi)爾文走線(xiàn)在模擬電路中的應(yīng)用熱詞里出現(xiàn)的“開(kāi)爾文走線(xiàn)”值得單獨(dú)說(shuō)一下。開(kāi)爾文連接也叫四線(xiàn)連接原本用于消除測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響在PCB走線(xiàn)中它的思路同樣實(shí)用。原理很簡(jiǎn)單當(dāng)一條走線(xiàn)同時(shí)承擔(dān)“功率電流流過(guò)”和“電壓采樣參考”兩個(gè)功能時(shí)走線(xiàn)電阻上的壓降會(huì)直接污染采樣電壓。開(kāi)爾文走線(xiàn)把這兩條路徑分開(kāi)功率電流走一條粗線(xiàn)采樣電壓走一條獨(dú)立的細(xì)線(xiàn)并且采樣線(xiàn)只在負(fù)載端連接避免采樣線(xiàn)上流過(guò)負(fù)載電流。在模擬電路中的應(yīng)用場(chǎng)景很典型比如精密電源的遠(yuǎn)端采樣、電池充放電回路中電流采樣電阻的電壓檢測(cè)、負(fù)載電流較大的基準(zhǔn)源布線(xiàn)。如果采樣電阻的電壓信號(hào)直接從電阻兩端走線(xiàn)給到運(yùn)放而這條走線(xiàn)和負(fù)載電流共用了一段銅皮那么負(fù)載電流在銅皮上產(chǎn)生的壓降就會(huì)被誤認(rèn)為采樣電壓的變化。用開(kāi)爾文走線(xiàn)單獨(dú)引一條采樣線(xiàn)到運(yùn)放輸入端測(cè)量精度會(huì)顯著提升。PCB Layout中實(shí)現(xiàn)開(kāi)爾文連接的要點(diǎn)是采樣線(xiàn)要從被采樣電阻的焊盤(pán)根部單獨(dú)引出不要從電阻引腳的主電流路徑中間分支采樣線(xiàn)要細(xì)盡量減少其自身流過(guò)的電流采樣線(xiàn)和主電流路徑不要重疊覆蓋保持獨(dú)立。4.3 地銅皮與地平面的完整性對(duì)于低頻模擬電路地平面越完整越好。地平面提供低阻抗回流路徑同時(shí)起到屏蔽作用。但要注意地平面的完整性比“有沒(méi)有地平面”更重要。一塊被走線(xiàn)割成若干狹長(zhǎng)條的地銅皮實(shí)際上處處是瓶頸回流電流只能繞著走反而比不加地銅皮更容易產(chǎn)生噪聲。在布局階段就要規(guī)劃好哪些區(qū)域走線(xiàn)不能穿越地平面。關(guān)鍵的模擬器件下方盡量保持地平面完整不要在敏感器件的正下方走數(shù)字信號(hào)線(xiàn)或電源線(xiàn)分割地平面。如果實(shí)在需要換層要保證回流路徑不會(huì)被打斷。雙層板的模擬電路底層作為連續(xù)地平面頂層走信號(hào)和電源這種結(jié)構(gòu)對(duì)很多低速模擬板卡是夠用的。四層板則可以用第二層作為完整地平面其他層走線(xiàn)和電源效果更好。5. 電源走線(xiàn)低阻抗供電是關(guān)鍵模擬電路的電源走線(xiàn)看似簡(jiǎn)單實(shí)際上很多奇怪的噪聲問(wèn)題都是電源供電路徑不合理造成的。核心目標(biāo)只有一個(gè)讓電源到達(dá)負(fù)載的路徑阻抗足夠低。5.1 電源線(xiàn)寬度與過(guò)電流能力走線(xiàn)寬度要滿(mǎn)足過(guò)電流能力。銅箔的載流能力和線(xiàn)寬、銅厚、溫升都有關(guān)系。在常規(guī)1oz銅厚、溫升10攝氏度條件下1mm線(xiàn)寬大約能走1A左右的電流具體數(shù)值受環(huán)境溫度影響。做電源走線(xiàn)時(shí)不能只看原理圖里的平均電流還要考慮啟動(dòng)瞬間的浪涌電流和瞬態(tài)電流。一個(gè)常見(jiàn)的做法是電源走線(xiàn)寬度按平均電流的1.5倍以上設(shè)計(jì)關(guān)鍵路徑再加寬。如果空間不允許可以在多個(gè)層并聯(lián)走電源通過(guò)過(guò)孔陣列連接。對(duì)于模擬電路的電源走線(xiàn)除了過(guò)電流能力還要控制走線(xiàn)電感。細(xì)長(zhǎng)的電源走線(xiàn)本身就是一個(gè)小電感在負(fù)載電流突變時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降尖峰。所以電源走線(xiàn)盡量短而寬能走平面層就走平面層避免在多個(gè)層之間反復(fù)打孔換層。5.2 去耦電容的擺放去耦電容是模擬電路電源質(zhì)量的最后一道保障。電容的擺放位置比電容容值更關(guān)鍵。高頻去耦電容通常是0.1uF或1nF要盡可能靠近芯片的電源引腳和地引腳從電源引腳到電容焊盤(pán)的路徑越短越好。如果電容和電源引腳之間隔了一段走線(xiàn)那么這段走線(xiàn)電感就和電容形成了串聯(lián)諧振電容在高頻段的實(shí)際去耦效果大打折扣。大容值的電解電容或鉭電容作用主要是提供低頻能量?jī)?chǔ)備位置可以稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)但還是應(yīng)該放在負(fù)載電路附近。多級(jí)去耦的常見(jiàn)擺放順序是電源入口先放一個(gè)大電容靠近芯片再放多個(gè)小電容形成低阻抗的頻率帶寬覆蓋。5.3 電源層分割四層板中如果模擬電路功耗不大電源層可以用完整平面不需要分割。如果板卡同時(shí)有模擬電源和數(shù)字電源或者有多路不同的供電電壓就要考慮電源層分割。分割時(shí)要注意不要讓高速數(shù)字信號(hào)線(xiàn)跨越電源分割縫隙否則回流路徑被打斷電流只能繞大圈會(huì)產(chǎn)生不必要的輻射和耦合。電源層分割線(xiàn)和地平面的間隙也要控制好一般建議縫隙不要超過(guò)3mm到5mm。6. 信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)從器件到走線(xiàn)的細(xì)節(jié)模擬信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)的原則可以歸納為四個(gè)字短、直、粗、凈。“短”是指走線(xiàn)距離盡量短。走線(xiàn)越長(zhǎng)寄生電阻、寄生電感和寄生電容都越大吸收噪聲的面積也越大。尤其是高阻抗節(jié)點(diǎn)比如運(yùn)放的正相輸入端、反饋網(wǎng)絡(luò)的高阻節(jié)點(diǎn)走線(xiàn)要盡可能短否則輕微的環(huán)境電場(chǎng)變化都會(huì)耦合出可測(cè)的噪聲。“直”是指走線(xiàn)路徑盡量直接少繞彎、少打過(guò)孔。但“直”不是要求完全45度直線(xiàn)而是不要為了美觀或?yàn)榱擞掀渌盘?hào)而讓關(guān)鍵模擬信號(hào)繞遠(yuǎn)路。如果必須換層兩個(gè)過(guò)孔之間的距離不要太短換層后回流路徑要連續(xù)。“粗”是指模擬信號(hào)線(xiàn)不要走太細(xì)。常規(guī)模擬信號(hào)線(xiàn)建議做到0.3mm到0.5mm以上越細(xì)的線(xiàn)電阻越大壓降越明顯。對(duì)輸入偏置電流大的器件比如雙極型運(yùn)放輸入走線(xiàn)太細(xì)、太長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生明顯的電壓偏置誤差。“凈”是指走線(xiàn)周?chē)蓛暨h(yuǎn)離干擾源。模擬信號(hào)線(xiàn)不要和數(shù)字信號(hào)線(xiàn)平行走很長(zhǎng)距離不要和電源開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)比如DC-DC的SW節(jié)點(diǎn)靠得太近不要跨越繼電器的控制線(xiàn)、PWM線(xiàn)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)這類(lèi)強(qiáng)干擾走線(xiàn)。6.1 模擬信號(hào)線(xiàn)的保護(hù)環(huán)與包地當(dāng)模擬信號(hào)線(xiàn)要穿過(guò)干擾較多的區(qū)域時(shí)可以采用保護(hù)環(huán)或包地方式做屏蔽。保護(hù)環(huán)是一條圍繞敏感信號(hào)走線(xiàn)的地線(xiàn)通常是環(huán)形的主要應(yīng)用于高阻抗輸入節(jié)點(diǎn)的保護(hù)比如運(yùn)放輸入端外圍用一圈地線(xiàn)包圍防止表層漏電流流入敏感節(jié)點(diǎn)。保護(hù)環(huán)并不是每條模擬信號(hào)線(xiàn)都適合加它更適合“高阻抗、微弱電流信號(hào)”的場(chǎng)景比如光電二極管的電流檢測(cè)、高阻分壓器的電壓采樣。如果只是普通模擬信號(hào)線(xiàn)穿越干擾區(qū)域可以采用包地方式在信號(hào)線(xiàn)兩側(cè)各走一條地線(xiàn)。需要注意包地線(xiàn)要確實(shí)接地最好在兩端和中間都打過(guò)孔連接到地層否則包地線(xiàn)懸浮著反而會(huì)成為天線(xiàn)引入更多噪聲。6.2 差分走線(xiàn)與等長(zhǎng)走線(xiàn)在純模擬電路中差分信號(hào)走線(xiàn)是常見(jiàn)的。比如差分放大器的輸入、檢測(cè)電路的正負(fù)信號(hào)、音頻的L/L-。差分走線(xiàn)要盡量做到等長(zhǎng)、等距、對(duì)稱(chēng)。等長(zhǎng)是為了保證差分信號(hào)的正負(fù)兩路在到達(dá)接收端時(shí)相位差一致等距是為了保證兩條線(xiàn)耦合系數(shù)一致共模噪聲才能被有效抑制。這里要區(qū)分一下模擬差分走線(xiàn)和數(shù)字高速等長(zhǎng)的不同。數(shù)字電路做等長(zhǎng)通常涉及蛇形走線(xiàn)補(bǔ)償因?yàn)樾盘?hào)邊沿速率高幾十mil的長(zhǎng)度差就可能產(chǎn)生時(shí)序偏差模擬電路做差分走線(xiàn)長(zhǎng)度差對(duì)相位的影響取決于信號(hào)頻率和波長(zhǎng)低頻模擬電路一般不需要精細(xì)化到蛇形補(bǔ)償?shù)幢闳绱吮M量保持兩條線(xiàn)長(zhǎng)度接近仍然是好習(xí)慣。6.3 高頻模擬走線(xiàn)的阻抗控制如果模擬信號(hào)的頻率較高比如幾十MHz以上或者信號(hào)要傳輸?shù)桨逋饩托枰紤]特征阻抗控制。射頻信號(hào)通常做50歐姆單端阻抗或100歐姆差分阻抗視頻信號(hào)可能做75歐姆USB、以太網(wǎng)等高速數(shù)字接口做90歐姆或100歐姆差分。阻抗控制需要和板廠確認(rèn)疊層結(jié)構(gòu)按廠家的疊層參數(shù)計(jì)算走線(xiàn)寬度不能只在設(shè)計(jì)軟件里設(shè)置一個(gè)阻抗參數(shù)就完事。7. 關(guān)鍵器件布局與走線(xiàn)實(shí)例下面結(jié)合幾種典型的模擬電路模塊說(shuō)一下具體的布局和走線(xiàn)細(xì)節(jié)。7.1 運(yùn)放電路運(yùn)放是純模擬電路中使用最多的器件。運(yùn)放布局走線(xiàn)的幾個(gè)要點(diǎn)輸入引腳是高阻抗節(jié)點(diǎn)走線(xiàn)要短不要和輸出走線(xiàn)平行靠近否則會(huì)形成正反饋耦合造成自激振蕩。反饋電阻要靠近運(yùn)放的反相輸入端盡量縮短反饋環(huán)路面積。反饋回路面積過(guò)大寄生電感變大高頻下容易產(chǎn)生相位裕量不足的問(wèn)題。運(yùn)放電源引腳的去耦電容要靠近電源引腳和地引腳放置通常0.1uF和10uF搭配小電容靠近引腳。如果運(yùn)放有多個(gè)通道比如雙運(yùn)放、四運(yùn)放要檢查各通道之間的串?dāng)_。輸入通道之間不要靠得太近特別是不同增益級(jí)別的通道。7.2 傳感器電路傳感器輸出的信號(hào)通常非常微弱走線(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)信噪比影響巨大。要點(diǎn)包括傳感器信號(hào)線(xiàn)盡量從傳感器焊盤(pán)根部直接引出并盡可能靠近傳感器放置第一級(jí)放大電路。如果傳感器信號(hào)是差分輸出應(yīng)使用差分走線(xiàn)并保持兩條線(xiàn)長(zhǎng)度一致避免共模轉(zhuǎn)差模。傳感器的供電線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)不要平行長(zhǎng)距離走線(xiàn)特別是電流型傳感器供電電流的變化可能在信號(hào)線(xiàn)上感應(yīng)出噪聲。傳感器區(qū)域的地要單獨(dú)考慮避免傳感器地電流和放大電路地電流相互干擾。7.3 電源轉(zhuǎn)換與模擬電路混合板卡很多模擬板卡上同時(shí)有DC-DC降壓電路和模擬放大電路。這種混合板卡要注意DC-DC的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW是高di/dt節(jié)點(diǎn)走線(xiàn)要短而寬面積盡量小。DC-DC的電感和輸出電容要按照器件手冊(cè)推薦的Layout來(lái)擺放不要自創(chuàng)布局。模擬電路的地和DC-DC的地要分區(qū)處理在電源輸出端點(diǎn)單點(diǎn)連接。DC-DC的反饋采樣線(xiàn)要遠(yuǎn)離電感和SW節(jié)點(diǎn)采用開(kāi)爾文走線(xiàn)方式接入輸出電容的采樣點(diǎn)。7.4 模擬地平面上的過(guò)孔布線(xiàn)在模擬地平面上打過(guò)孔是必須的但要注意過(guò)孔會(huì)在地平面上形成空洞和裂縫。如果過(guò)孔太密集地平面的連續(xù)性會(huì)變差。信號(hào)線(xiàn)換層時(shí)旁邊應(yīng)該有一個(gè)伴隨的接地過(guò)孔為回流電流提供低阻抗路徑。這個(gè)習(xí)慣對(duì)模擬電路尤其重要因?yàn)榛亓髀窂讲贿B續(xù)時(shí)噪聲會(huì)更明顯。8. 層疊選擇與參考平面設(shè)計(jì)純模擬電路該用幾層板這取決于電路復(fù)雜度和性能要求。簡(jiǎn)單的傳感器調(diào)理板、單運(yùn)放放大板雙層板完全夠用。雙層板的關(guān)鍵是一層盡量作為完整地平面另一層走信號(hào)和電源。信號(hào)不要在地平面上大范圍分割如果必須在有信號(hào)的層走電源電源線(xiàn)要盡量粗并且不跨越敏感信號(hào)區(qū)域。性能要求較高的模擬板卡比如多路采集系統(tǒng)、音頻數(shù)模混合板卡推薦四層板。四層板的推薦疊層是信號(hào)層1 / 地層 / 電源層 / 信號(hào)層2。完整的地平面和電源平面大大簡(jiǎn)化了回流路徑設(shè)計(jì)信號(hào)層1和信號(hào)層2都可以走模擬信號(hào)線(xiàn)只要注意關(guān)鍵信號(hào)不跨越分割區(qū)即可。六層板及以上通常是在板卡規(guī)模較大、層數(shù)需求多時(shí)才用。對(duì)純模擬電路而言四層板已經(jīng)能解決絕大多數(shù)問(wèn)題。層數(shù)增加可以帶來(lái)更獨(dú)立的電源和地平面但成本也明顯增加層疊設(shè)計(jì)不對(duì)反而容易引入新的問(wèn)題比如相鄰信號(hào)層之間的串?dāng)_。層疊設(shè)計(jì)時(shí)記住兩點(diǎn)相鄰層盡量不要再走高速信號(hào)或敏感模擬信號(hào)敏感信號(hào)層要靠近完整地平面方便回流。9. 純模擬電路走線(xiàn)常見(jiàn)問(wèn)題與排查方法實(shí)際調(diào)板過(guò)程中模擬電路出問(wèn)題比數(shù)字電路難查得多。下面把最常見(jiàn)的現(xiàn)象和排查思路整理成表格。問(wèn)題現(xiàn)象可能原因排查思路解決方案輸出信號(hào)帶固定頻率干擾電源耦合或地環(huán)路用示波器探頭測(cè)運(yùn)放電源引腳看紋波頻率加強(qiáng)去耦檢查地環(huán)路增大模擬/數(shù)字地距離低頻噪聲大地線(xiàn)阻抗過(guò)大、單點(diǎn)接地不良測(cè)量地各點(diǎn)之間壓差加寬地線(xiàn)采用星型接地或多層完整地平面輸出自激振蕩反饋回路面積過(guò)大、寄生電容耦合檢查反饋電阻位置、輸入端走線(xiàn)長(zhǎng)度縮短反饋?zhàn)呔€(xiàn)輸入輸出分離適當(dāng)增加反饋電容高阻抗節(jié)點(diǎn)噪聲顯著保護(hù)環(huán)缺失或包地懸空用手靠近電路觀察示波器波形變化增加保護(hù)環(huán)包地線(xiàn)可靠接地電源啟動(dòng)異常電源線(xiàn)過(guò)細(xì)、過(guò)孔過(guò)多測(cè)量電源紋波關(guān)機(jī)檢查走線(xiàn)壓降加寬電源線(xiàn)減少換層增加去耦電容與溫度相關(guān)的輸出漂移熱源離敏感器件太近用熱像儀或手觸摸檢查發(fā)熱區(qū)域調(diào)整布局拉大距離增加通風(fēng)散熱信號(hào)串?dāng)_模擬線(xiàn)與數(shù)字線(xiàn)平行過(guò)長(zhǎng)觀察相鄰走線(xiàn)間距增大間距中間加地線(xiàn)隔離或改為立體交叉采樣精度差采樣參考路徑不正確檢查采樣走線(xiàn)和開(kāi)爾文布線(xiàn)改造走線(xiàn)用開(kāi)爾文連接采樣點(diǎn)在排查時(shí)有一個(gè)好用的思路一級(jí)一級(jí)斷開(kāi)看波形。從輸入開(kāi)始先看輸入端有沒(méi)有噪聲再看第一級(jí)放大輸出逐級(jí)檢查確定噪聲是從哪一級(jí)引入的。這種方法比盲目改走線(xiàn)有效得多。另一個(gè)排查技巧是看“地”。很多莫名其妙的模擬噪聲問(wèn)題最后都指向地電位不一致。用示波器探頭夾子接在信號(hào)源的地再測(cè)被測(cè)點(diǎn)的地兩者之間的波形就是地電位差。如果這個(gè)波形有毛刺或周期性干擾優(yōu)先處理地設(shè)計(jì)。10. 從原理圖到PCB的落地檢查清單在開(kāi)始走線(xiàn)之前和走線(xiàn)完成之后各過(guò)一遍下面的檢查清單能減少大量返工。檢查項(xiàng)檢查內(nèi)容通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)原理圖網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)模擬地和數(shù)字地是否清晰命名地網(wǎng)絡(luò)能區(qū)分不混連布局分區(qū)強(qiáng)干擾器件和敏感器件有無(wú)足夠距離分區(qū)清晰無(wú)交叉信號(hào)流方向主信號(hào)在板面上是否順向輸入到輸出不繞回頭路去耦電容每顆IC電源引腳附近是否都有小電容電容靠近引腳回路短電源走線(xiàn)寬度是否滿(mǎn)足峰值電流線(xiàn)寬足夠參考1A/1mm經(jīng)驗(yàn)值地平面完整性關(guān)鍵區(qū)域地平面是否完整無(wú)大面積割裂無(wú)信號(hào)線(xiàn)橫穿敏感地反饋環(huán)路運(yùn)放反饋路徑是否短反饋電阻靠近反相輸入端保護(hù)環(huán)/包地高阻節(jié)點(diǎn)是否包地包地可靠接地不過(guò)長(zhǎng)懸空過(guò)孔回流信號(hào)換層時(shí)有無(wú)伴隨地孔每組關(guān)鍵信號(hào)換層都有回流路徑絲印標(biāo)注元件位號(hào)、極性標(biāo)識(shí)是否齊全清晰可讀無(wú)重疊11. 幾個(gè)值得養(yǎng)成的布線(xiàn)習(xí)慣最后說(shuō)幾個(gè)我在看板和指導(dǎo)布線(xiàn)時(shí)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的習(xí)慣不一定寫(xiě)在教科書(shū)里但在實(shí)際工程里很管用。第一個(gè)習(xí)慣先畫(huà)電源和地再畫(huà)信號(hào)。很多初學(xué)者喜歡一開(kāi)始就去連信號(hào)線(xiàn)因?yàn)樾盘?hào)線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)更多、看起來(lái)更有成就感。正確的順序應(yīng)該先把電源路徑和關(guān)鍵地路徑規(guī)劃好確保供電和回流沒(méi)問(wèn)題再處理信號(hào)線(xiàn)。信號(hào)線(xiàn)即使最后要調(diào)整也不會(huì)把電源網(wǎng)絡(luò)帶亂。第二個(gè)習(xí)慣給敏感信號(hào)讓路而不是讓敏感信號(hào)繞路。布局時(shí)就應(yīng)該給模擬輸入信號(hào)線(xiàn)預(yù)留一條“黃金通道”從連接器到第一級(jí)放大盡量直、短、不跨越任何干擾器件。如果一開(kāi)始布局時(shí)沒(méi)有預(yù)留后面走線(xiàn)全是在妥協(xié)最后畫(huà)出來(lái)的板子大概率要調(diào)。第三個(gè)習(xí)慣及時(shí)檢查回流路徑。每次畫(huà)完一層走線(xiàn)都問(wèn)自己一句這條信號(hào)換層了嗎它旁邊的回流地孔加了沒(méi)如果信號(hào)線(xiàn)下面沒(méi)有完整的地平面它還能不能保持低噪聲把回流路徑當(dāng)成走線(xiàn)的另一半責(zé)任很多地噪聲問(wèn)題就能提前避免。第四個(gè)習(xí)慣別迷信蛇形走線(xiàn)。模擬電路里蛇形走線(xiàn)的唯一意義是補(bǔ)償差分對(duì)等長(zhǎng)或者走線(xiàn)長(zhǎng)度確實(shí)需要匹配。普通模擬信號(hào)線(xiàn)沒(méi)有必要為了“整齊”而繞蛇形繞線(xiàn)只會(huì)增加寄生參數(shù)和噪聲收集面積。看到一排排整齊的蛇形走線(xiàn)先問(wèn)一句它們真的需要等長(zhǎng)嗎第五個(gè)習(xí)慣板子回來(lái)后先測(cè)靜態(tài)再測(cè)動(dòng)態(tài)。上電后不要急著敲信號(hào)看輸出。先用萬(wàn)用表檢查電源對(duì)地是否短路再用示波器看各路電源紋波然后看基準(zhǔn)電壓是否正常最后才加輸入信號(hào)。靜態(tài)測(cè)試過(guò)了動(dòng)態(tài)測(cè)試才有的放矢。很多模擬板卡的問(wèn)題在靜態(tài)測(cè)試時(shí)就能發(fā)現(xiàn)比如供電電壓不對(duì)、基準(zhǔn)源輸出異常、電源紋波超標(biāo)這些如果不先排查后面很容易把問(wèn)題歸錯(cuò)地方。純模擬電路走線(xiàn)的核心說(shuō)到底就是一句話(huà)讓關(guān)鍵的信號(hào)和電流走一條可控、低噪聲、不受干擾的路。布局時(shí)多想兩分鐘走線(xiàn)時(shí)多檢查一遍回流路徑板子回來(lái)后的調(diào)試時(shí)間就能省下好幾個(gè)小時(shí)。這篇文章里的內(nèi)容適合在畫(huà)板之前和Layout完成之后各看一遍。如果你正在畫(huà)傳感器調(diào)理板、音頻板、電源控制板或者運(yùn)放放大電路最關(guān)鍵的一步是先按第3節(jié)的思路做一次徹底的分區(qū)布局再動(dòng)手走線(xiàn)。