模拟电路中信号与电源走线的 PCB 布局首选方法是哪一种,以及需要考虑的事项?

电器工程 运算放大器 pcb设计 模拟 噪音 布局
2022-01-07 04:02:09

我现在不得不为模拟信号布局 2 层 PCB 好几次,而且我才刚刚开始学习这个过程。在布置信号与电源轨道以避免交叉等方面,我经常以一种或另一种形式面临类似的问题,并希望得到一些建议。

我提供了以下虚拟原理图来帮助解释这个问题。有一些输入模拟信号,然后通过一系列组件(在这种情况下,具有一定增益的反相运算放大器)以某种方式操纵信号,然后是输出。每个阶段都需要各种电阻器,并且信号在各个点被分出并发送到连接器。所有阶段都需要 V+ 和 V- PSU 连接。

在此处输入图像描述

我的问题实际上是关于总体布局的高级方法,特别是电源走线与信号走线。如果组件位于顶层,而底层将被接地层(未绘制)淹没,我可以看到两种明显的方法:您可以将电源走线带到底层的芯片上,然后使用过孔到达芯片(方法A);或者您可以将电源带到顶层,然后在必要时使用通孔将信号带到底层以避免交叉(方法 B):

在此处输入图像描述

方法 A) :这通常允许所有信号和组件在每个芯片周围保持紧凑和紧密,并且可以将信号带到连接器而不需要它们的通孔。问题在于电源传输更加复杂,底层的接地层被电源线明显切断。

方法 B):这里的功率传输更紧密,没有过孔,并且不会破坏底层接地层。问题是信号必须通过过孔以避免穿过电源。

所以我的问题是,在为这样的模拟板布置电源与信号时,我应该担心/考虑哪些事情?如何考虑其中哪些可能是未来项目的更好方法?实际上有没有我没有提到的更好的布局方法?在这些情况下,是否有胜过所有的利弊?

一般的建议和想法将非常受欢迎。


额外信息:

  • 让我们假设实际上每个芯片也有足够的旁路电容器,但为了清楚起见,它们没有画出来。
  • 我的应用程序通常对模拟信号上的噪声很敏感,但所需的带宽并不高(大约数百 kHz)。
4个回答

一般来说,我更喜欢使用修改后的解决方案 A,仅仅是因为它似乎(在第一次通过)比 B 更容易(和更清洁)布线。显着的变化(对于我的解决方案)是两层都允许大铜质量类似于要使用的平面 - 为什么不在顶部加铜?

在下文中,我增加了电源的铜面积,并包括(如前所述)旁路电容。同样重要的是,在放置 IC 后立即添加电源和接地过孔。这迫使设计人员更快地考虑电源布线。

方法-A,更大的铜浇注

底层有一个铜 GND 浇注。如果我真的喜欢,我会在顶部添加一个铜 GND(保持无法获得足够 GND 的概念)。

要将电源流移到更靠近 IC 的位置,请将电阻堆栈移动到 IC 的右侧。这导致了下一个方法 B(也已修改)。

方法B(修改)==============================

  • 将电阻堆栈推到底层。

  • 不要有任何走线太长,因此底部会有一个通常“良好”的接地层。

  • 将铜直接拉到 IC 上。

(顺便说一句,原始 B 中的所有这些通孔对我来说都太多了 :)

方法B

这是底层的视图(没有 GND 覆铜) 在此处输入图像描述

对原有场地的改动总结:

  1. 考虑在顶层浇注更多的铜以改善您的电力输送。

  2. 考虑将底部用于组件。

而且当然:

  1. 添加旁路盖

警告

C1。方法 A 非常适合低功耗、典型的运算放大器。

C2。方法 B 对于电机驱动器是必需的。

如果可能的话,您要避免的事情是让您的信号路径穿过参考平面空隙。您还需要将 v+ 和 v- 旁路到地,因为您正在驱动以地为参考的信号(SMA 连接器屏蔽)。尝试添加旁路,看看效果如何。也就是说,方法(A)更像是我会选择的。

我通常先做真正关键的网络,然后是本地去耦安排(因为它们实际上是相当关键的),然后是其余的信号东西,然后在最后安装大容量电源。

通过将地平面视为神奇的通用地面,您也对自己造成了一点伤害,它在大多数时间或多或少地在数字事物中起作用,并且在其余时间本质上并不可怕,但是想想在哪里电流流动!

虽然您的示例有点点头表明这一点,但我实际上会将所有那些非反相输入的“接地”视为关键网络,只要我可以管理没有电流流入它,它就应该具有。在更严重的电路中,仅将事物打到地平面上就很难管理。网络关系是你的朋友。

我也会更关心电流回路的设计,考虑一个中间运算放大器,电流从一个电源轨(哪个取决于哪个象限)通过前一个运算放大器,通过电阻器,然后进入输出链中的下一个运算放大器,然后通过另一个电源轨返回。每个运算放大器都显示出显着的去耦,并且由于象限发生变化(因此您在每个轨中获得半波电流脉冲),因此您应该小心旁路电容如何“接地”以避免将半波整流电流脉冲注入你的地盘。

模拟电路的最佳做法是减少信号的环路面积及其返回路径,并尽可能降低阻抗。如果不可能,则必须平衡阻抗以减少共模噪声变为差分。

当没有电路噪声或环境噪声时,低阻抗就不需要接地层。噪声电压就是噪声电流*电路阻抗。f (V(f)=I(f)*Z(F) 其中 Z(L)=2piL,适用于 0.5nH/mm 的短迹线或 1nH/mm 的较长导线。(>40 l/d 比率)

在此处输入图像描述 虽然这主要用于 RF 或上升时间<20ns,但您能看到上面信号+返回环路面积的差异吗?

您必须学会为每个设计定义规范,这样您就知道可以测试什么以确保它有效。这包括杂散频谱和以 uA/m 或 mV/m 表示的 EMI 水平以及压摆率或频率。两者的。这包括任何电缆附近的 SMPS、交流电源、电机、开关电感器等。然后您需要指定频谱和信号最小电平,最后是所需的最小 SNR。这包括您可以在第一阶段微调的直流偏移。

将电缆放入 10:1 示波器探头中可以测量您在 10 MOhm 负载下的杂散电压。将其终止,然后将 RF 电容分流到接地以降低 EMI 水平。最后使用电话或 LF/HF CM CHoke 进一步平衡感兴趣频率范围的信号。

完成所有这些之后,然后查看逻辑中的串扰和 SMPS 路由到高阻抗信号,即使这样,您也可能不需要接地层。即使是雅马哈音响设备设计也可以摆脱这一点。

完成此操作后,您可以决定是否需要接地层,但您可能总是需要一个 RF 电容连接到 AC 接地,以分流低频线路和 SMPS 共模、CM 噪声。

由于您使用的是 SMA 连接器,我认为 SNR 很重要,并且使用具有 75uV 低输入失调电压和几 nA 偏置电流的 OP07 会使输入阻抗非常高。然而,将另一个输入接地会使输入非常不平衡。因此,在您考虑接地层之前,请使用 0.1% 或更好的 3 个运算放大器的 INA 布置以 > 100 dB CMRR 使您的信号与差分 R 比率平衡。这是消除杂散电缆引起的 EMI 的第一步。电位器可以轻松消除直流偏移,然后通过可选的单个 R,您可以通过模拟开关更改增益。