高速設(shè)計(jì)往往易被忽視或者相當(dāng)重要。系統(tǒng)電路板布局已成為設(shè)計(jì)本身的一個主要組成部分，因此，我們必須了解影響高速信號鏈路設(shè)計(jì)性能的機(jī)制。

盡管身為工程師，但我們也很可能"制造"較多麻煩。因此，切忌過分挑剔而使CAD工程師陷入設(shè)計(jì)困境，這并不能給性能帶來任何改善。

不要忘記裸露焊盤

裸露焊盤有時會被忽視，而它對充分發(fā)揮信號鏈路性能和幫助器件散熱卻非常重要。裸露焊盤在ADI公司我們通常稱之為引腳0,是目前大多數(shù)器件下方的焊盤。它是一個重要的接點(diǎn)，一般芯片的所有內(nèi)部接地都是通過它而連接到器件下方的中心點(diǎn)。

您是否已注意到目前有許多轉(zhuǎn)換器和放大器都缺少接地引腳？裸露焊盤就是其原因所在。關(guān)鍵是要將此引腳妥善固定（即焊接）到印刷電路板（PCB），而實(shí)現(xiàn)魯棒的電氣和熱連接，否則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能遭到各種破壞。

利用裸露焊盤實(shí)現(xiàn)最佳電氣和熱連接基本分為三個步驟。首先，在可能的情況下，在PCB的各層上都復(fù)制裸露焊盤，這將為所有接地和接地層提供較厚的熱連接而實(shí)現(xiàn)快速散熱。

此步驟與大功率器件和具有多通道的應(yīng)用相關(guān)。在電氣方面，這將為所有接地層提供良好的等電位連接。您甚至還可以在底層復(fù)制裸露焊盤（圖1），這可作為去耦用熱風(fēng)焊盤接地點(diǎn)和安裝底側(cè)散熱器的位置。

圖1:在每一層上復(fù)制裸露焊盤能夠幫助創(chuàng)建魯棒的電氣和散熱接地連接，同時，還能為熱風(fēng)焊盤和底側(cè)去耦增加附加區(qū)域。

其次，將裸露焊盤分割成棋盤似的多個相同部分。這可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：在敞開的裸露焊盤上使用絲網(wǎng)印刷交叉陰影線或者阻焊膜。此步驟可以確保器件與PCB之間的魯棒連接。在回流焊組裝工藝中，無法確定焊錫膏如何流動并最終將器件連接到PCB.

圖2:如果裸露焊盤未被分割并且通孔未被填充，回流焊過程中將會形成空洞。

出現(xiàn)的問題是，連接可能存在但分布卻不均勻。可能僅僅得到一個連接并且連接很小，或者更糟糕的是，此連接位于拐角處。將裸露焊盤分割成較小部分，能夠確保每個區(qū)域都有一個連接點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更魯棒的、均勻連接的裸露焊盤（圖2和圖3）。

圖3:分割PCB上的裸露焊盤有助于在電路板裝配過程中PCB與IC粘合得更緊密。

最后，應(yīng)當(dāng)確保各部分都有過孔連接到地。各區(qū)域通常都很大，足以放置多個過孔。組裝之前，務(wù)必用焊錫膏或者環(huán)氧樹脂填充每個過孔，這一步非常重要，可以確保裸露焊盤焊錫膏不會回流到這些過孔空洞中，而降低正確連接的機(jī)率。

去耦和平面電容

有時我們會忽略使用去耦的目的，而僅僅在電路板上分散許多數(shù)值的電容，使較低阻抗的電源連接到地。但問題依然存在：到底需要多少電容？

許多文獻(xiàn)表示，應(yīng)使用多個電容和多個數(shù)值來降低輸電系統(tǒng)（PDS）的阻抗，但這并非完全正確。事實(shí)上，僅需選擇正確數(shù)值和正確"種類"的電容，就能降低PDS的阻抗。

比如我們要設(shè)計(jì)10mΩ的參考平面，如果在系統(tǒng)電路板上使用多個電容值，便可降低在500MHz頻率范圍內(nèi)的阻抗，如圖4中的紅色曲線所示。

圖4:標(biāo)準(zhǔn)的去耦電容可以幫助降低高達(dá)500MHz的PDS阻抗，而頻率超過500MHz時則由平面電容解決。了解所用電容可以降低設(shè)計(jì)中所用電容的數(shù)量和類型。

然而，讓我們再看一下綠色曲線，其在同樣的設(shè)計(jì)上僅使用了0.1μF和10μF兩種電容。這證明了如果使用恰當(dāng)?shù)碾娙?，則不需要采用如此多的電容值。這也有助于節(jié)省布局和物料清單（BOM）成本。

然而，并非所有的電容"生來平等",即使來源于同一供應(yīng)商，其工藝、尺寸和樣式也有差別。如果未使用正確的電容，則不論是采用多個電容還是采用幾種不同類型的電容，其結(jié)果都會給PDS帶來反作用。

放置電容或者使用不同的電容工藝和型號都有可能形成電感環(huán)路，它們將對系統(tǒng)內(nèi)的頻率做出不同響應(yīng)以及彼此之間發(fā)生諧振（圖5）。

了解系統(tǒng)所用電容類型的頻率響應(yīng)非常重要。隨便選用電容會讓設(shè)計(jì)低阻抗PDS系統(tǒng)的努力付諸東流。

要設(shè)計(jì)出合格的PDS,需要使用各種電容（再見圖4）。PCB上使用的典型電容值只能將直流或者接近直流的約500MHz頻率范圍內(nèi)的阻抗降低。在500MHz以上時，電容將由PCB形成的內(nèi)部電容決定。電源平面和接地平面是否疊置得足夠緊密？

為此，請?jiān)O(shè)計(jì)一個支持較大平面電容的PCB層疊結(jié)構(gòu)。例如，六層堆疊結(jié)構(gòu)可能包含頂部信號層、第一接地層、第一電源層、第二電源層、第二接地層和底部信號層。規(guī)定第一接地層和第一電源層在層疊結(jié)構(gòu)中彼此靠近。將這兩層的間距設(shè)定為2~4mil,將形成一個固有的高頻平面電容。

圖5:通過了解電容類型和布局可將環(huán)路電感降至最小，從而防止出現(xiàn)較高的PDS阻抗。

此電容的最大優(yōu)點(diǎn)在于它免費(fèi)，您只需要在PCB制造筆記中進(jìn)行說明即可。如果必須分割電源平面，并在同一平面上具有多個VDD電源軌，則應(yīng)使用盡可能大的電源平面。不要留下空洞，同時還應(yīng)注意敏感電路。這將使該VDD平面的電容達(dá)到最大。

如果設(shè)計(jì)允許存在額外的層（本例中由六層變?yōu)榘藢樱?，則應(yīng)將兩個額外的接地平面放在第一和第二電源平面之間。在核心間距同樣為2~3mil的情況下，層疊結(jié)構(gòu)的固有電容將會加倍（圖6）。此結(jié)構(gòu)更易于設(shè)計(jì)，然后，可添加更多分立高頻電容以保持低阻抗。

圖6:通過設(shè)計(jì)具有鄰近電源平面和地平面的PCB堆疊結(jié)構(gòu)，可在PCB中得到高頻電容。這將在較高頻率下滿足較低阻抗。

對于PDS而言，將響應(yīng)電源電流需求時出現(xiàn)的電壓紋波降至最低非常重要，但這點(diǎn)卻常被忽略。所有電路都需要電流，有些電路需求量較大，有些電路則需要以較快的速率提供電流。采用充分去耦的低阻抗電源或接地平面以及良好的PCB層疊，可以將因電路電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。

根據(jù)使用的去耦策略，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開關(guān)電流為1A且PDS的阻抗為10mΩ，則最大電壓紋波為10mV.計(jì)算公式很簡單：V=IR.

憑借完美的PCB堆疊，便可覆蓋高頻范圍，同時，在電源平面的起始入口點(diǎn)和大功率或浪涌電流器件周圍使用傳統(tǒng)去耦，便可覆蓋低頻范圍（<500MHz）。這將確保PDS阻抗在整個頻率范圍內(nèi)均為最低。

沒有必要在各處都布置電容，也沒有必要為了把電容布置在正對著每個IC的位置，而破壞所有的制造規(guī)則。如果需要采用這種過激的措施，則說明電路中存在其它問題。

圖7:注意：作為噪聲層的PCB堆疊可能位于下方，從而可能耦合信號到敏感的模擬電路、層或者平面。

平面耦合

一些布局不可避免地具有重疊電路平面（圖7）。有些情況下可能是敏感的模擬平面（無論是電源、接地還是信號），下一層則是高噪聲的數(shù)字平面。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為這無關(guān)緊要，因?yàn)樵撈矫嫖挥诹硪粚印Ｒ虼?，我們來做一個簡單測試。

以某一層為例，在任一平面上注入信號?，F(xiàn)在將與該相鄰層交叉耦合的另一層連接至頻譜分析儀。可以看到有多少信號耦合到了相鄰層吧？即使兩者間距為40mil,在某種意義上它卻仍是電容，因此，在某些頻率下仍會耦合信號至相鄰平面（圖8）。

圖8:高頻處，標(biāo)準(zhǔn)FR4材料上的層間耦合可能無處不在（40~60dB），請注意隔離。對于特定設(shè)計(jì)可能足夠，但隔離應(yīng)視應(yīng)用而定。

舉例來說，某層上的高噪聲數(shù)字平面具有高速開關(guān)的1V信號，這意味著，另一層上將會"看到"1mV的耦合（約60dB的隔離）。對具有2Vp-p滿量程擺幅的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），這是2個最低有效位（LSB）的耦合。對于特定系統(tǒng)而言，這可能不成問題，但應(yīng)注意，如果提升2位（從12位增至14位），靈敏度只會提高四倍，即8個LSB.

忽略這種平面間耦合，很可能使系統(tǒng)失效，或者影響設(shè)計(jì)性能。這里必須指出的是，兩個平面間存在的耦合可能超出想象。

在感興趣的頻譜內(nèi)發(fā)現(xiàn)噪聲耦合時應(yīng)注意這一點(diǎn)。有時布局決定了非預(yù)期信號或是平面將被交叉耦合到不同的層，在調(diào)試敏感系統(tǒng)時請記住這一點(diǎn)。該問題可能出現(xiàn)在下面一層。

分離地

全球模擬信號鏈設(shè)計(jì)人員最常提出的問題是，使用ADC時是否應(yīng)該將地平面分離成AGND和DGND地平面？簡單回答是：視情況而定。

詳細(xì)回答則是：通常不分離。在大多數(shù)情況下，盲目分離地平面只會增加返回電流的電感，因此，它所帶來的壞處大于好處。還記得公式V=L（di/dt）嗎？隨著電感增加，電壓噪聲會提高。

隨著電感增加，您一直努力降低的PDS阻抗也會增加。隨著增加ADC采樣速率的需求繼續(xù)增長，增加開關(guān)電流的方法卻只有這些。因此，除非有理由分離地平面，否則請保持這些接地連接。

關(guān)鍵是電路合理分割，這樣就不必分離地平面（圖9）。請注意，如果布局允許將各電路保持在各自區(qū)域內(nèi)，便無需分離地平面。如此分割可以提供星型接地，因此，可將返回電流局限在特定的電路部分。例如，受尺寸限制的影響而使得電路板無法實(shí)現(xiàn)良好布局分割的情況。這可能是為了符合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)或尺寸要求而必須將惡劣的總線電源或高噪聲的數(shù)字電路放在特定區(qū)域的緣故。這種情況下，分離地平面是實(shí)現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵。

圖9:對于每一應(yīng)用地平面分離可能并無必要，因?yàn)轸敯舻母咚僭O(shè)計(jì)建立在固態(tài)PCB電路分區(qū)周圍而將電流局限在特定區(qū)域。

然而，為使整體設(shè)計(jì)有效，還必須在電路板的某個地方用一個電橋或是連接點(diǎn)將這些地連接在一起。因此，應(yīng)將連接點(diǎn)均勻地分布在分離的地平面上。

最終，PCB上的連接點(diǎn)往往成為使返回電流通過，而不會導(dǎo)致性能降低或者強(qiáng)行將返回電流耦合至敏感電路的最佳位置。如果此連接點(diǎn)位于轉(zhuǎn)換器附近或下方，則根本無需分離接地。

本文小結(jié)

由于關(guān)于最佳布局的評論太多，所以在布局上的考慮總是令人困惑。技術(shù)和原則一直是ADI"設(shè)計(jì)文化"的一部分。在工程師傾向于借鑒以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的同時，產(chǎn)品的上市壓力也使設(shè)計(jì)人員不愿去更改或是嘗試新事物。他們拘泥于風(fēng)險權(quán)衡，直至系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了重大問題。

在評估板、模塊和系統(tǒng)層面，簡單的單一接地適合于所有情況。良好的電路分割才是關(guān)鍵，這也將影響到平面和相鄰層的布局。請注意，如果敏感平面在高噪聲數(shù)字平面之上，則有可能發(fā)生交叉耦合。

組裝也是重要因素。提供給PCB車間或組裝車間的制造筆記應(yīng)善加利用，從而確保IC裸露焊盤和PCB之間具有可靠連接。因組裝不良而導(dǎo)致的系統(tǒng)性能欠佳不計(jì)其數(shù)。

不過，靠近電源平面入口點(diǎn)和轉(zhuǎn)換器VDD引腳的去耦總是有利的。對于增加的、固有高頻去耦，應(yīng)利用4密爾（mil）或間距更小的緊密電源平面和地平面。此方法不會帶來額外成本，只需花五分鐘更新PCB制造筆記。

在設(shè)計(jì)高速、高分辨率轉(zhuǎn)換器布局時，無法照顧到所有的具體特性。每一應(yīng)用各不相同，有的甚至更為獨(dú)特。不過，上述關(guān)鍵點(diǎn)卻可以幫助設(shè)計(jì)人員加深對未來系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解。