混合信号 PCB 设计：原理图级设计

在我关于混合信号 PCB 设计的第一篇专栏文章中，我们解决了这个问题：它是什么?在我的第二篇专栏中——是什么让它变得困难(呃)?— 我们考虑了是什么让混合信号 PCB 设计比纯模拟或纯数字 PCB 设计更具挑战性。

所以，既然我们已经界定了这个话题，我们想谈谈我们作为设计师在设计的原理图阶段可以做的一些事情，以便更清楚地向以后可能继承这项工作的人传达我们的设计意图在产品的生命周期中。

原理图的目的...

为了真正理解我们在这篇博文中所表达的意思，我们都必须(至少为了这篇博文的目的)对原理图的目的有一个共同的理解。或者，也许更好的表达方式是：作为设计师，我们希望 原理图成为什么，并在记录我们的设计意图时为我们做什么?

传达功能：到目前为止，原理图应该做的最重要的事情是清楚地传达您设计的功能。如果您不能拿起原理图并知道(在中等水平上)设计应该做什么以及应该如何做，那么您还没有真正完成设计师的工作。

一个很好的方法是使用第一张框图，该框图显示了您的设计的各个部分如何从基本连接级别交互在一起。下面我们从 Terasic 开发板 DE0-Nano-SoC 中看到了一个很好的例子。

观察如何有足够的细节让你知道事物是如何连接的，板上有什么，以及一切是如何连接的。这是一个值得学习的非常好的例子。

传达独特的信息或特定于设计的特殊信息：我们这里的意思是您必须 在原理图中传达特定于设计的细节。我们可能都熟悉的一个很好的例子是微处理器上的多种功能。

换句话说，如果您将微处理器的 GPIO 引脚连接为 GPIO，请相应地命名连接!如果您使用 GPIO 引脚作为 I2C 总线的一部分，请适当地命名连接!例如，可能是“I2C-SDA”，而不仅仅是“GPIO16”。

通过放入每个引脚的所有可能功能，可以从原理图符号创建阶段简化其中一些操作。是的，这需要时间，但它也能让原理图更清晰!

另一个很好的方法是用额外的文本、图片和图表来丰富您的原理图!将关键信息添加到您的原理图始终是一件好事，即使这意味着要使用额外的一张(或两张或三张)纸来这样做。

以下是我们自己的示意图中的几个示例。在一个示例中，我们展示了以太网 PHY 所偏向的配置模式;另一方面，我们展示了多输入范围模拟前端所需的开关状态。通过将这些信息放在原理图上，您将节省您(和您的同事)的时间，并让 阅读它的任何人都清楚地知道意图。

混合信号原理图信息……

好的，但这对混合信号 PCB 设计意味着什么?传达什么样的信息很重要，尤其是在混合信号设计中?我们很高兴你问...

多个 GND/返回网络：有时作为设计师，您会在设计中使用多个 GND/返回网络。也许您有隔离电路、灵敏的热电偶调节电路、高功率开关模式电源回路或局部 PLL 电源和回路网络。

如果这是您发现自己在设计中所做的事情，那么让您自己(以及我们其他人!)轻松一点，并适当地命名这些返回网络!使用不同的符号是否更清楚?也许。使用不同的符号和唯一名称(如“PLL-RTN”、“PGND”、“AGND”或“ISO-GND”)是否更清楚?绝对地!

但这有什么意义呢?所有这些额外的工作打字、命名网络……谁有时间?问题是大多数经验丰富的工程师都会欣赏这一点——它告诉他们返回平面被隔离或切断是有原因的，而且是有充分理由的。它告诉将要使用此原理图的工程师您正在关注细节。而且，它会 传达 这样一个事实，即使用多个返回网是有原因的，而不仅仅是因为您一时兴起。它表明这些网络旨在提供特定功能，并帮助分离电路返回路径，这在混合信号设计中非常重要。

来自电源网络的多个分支：由于您可能经常在设计中使用多个电源 返回 路径，因此您可能还必须使用多个电源 路径 。有时，这些路径并不处于不同的电压电平，而可能只是与电路上的大容量电源高频隔离。一个很好的例子就是高度集成的 DSP，它具有内部 ADC 和 DAC 设备。

您可能希望通过使用相同的 VCC 电源作为这些转换器的参考电压来节省电路板空间和成本——这是设计人员经常做的事情——但如果您没有清楚地命名这些 VCC 网络，可能会造成混淆。

例如，请考虑以下内容：

· 2V5

· 2V5-1

· 2V5-2

· 2V5-3

当然，当您最初捕获原理图时，您可能能够以这种方式跟踪事物，但它可能很快就会失控。稍后，当您进行 PCB 布局时，请忘掉它 — 您将原地打转，试图跟踪命名“惯例”。

现在将前面的示例与以下示例进行对比：

· 2V5

· 2V5-ADC-VREF

· 2V5-DAC-VREF

· 2V5-锁相环

我们将留给您来决定哪个更清晰， 更有效地 传达设计意图。

去耦电容器：有时在原理图上，很难在每个引脚上放置电容器，即使这正是您想要在布局上完成的。在这里使用一些简单的文本注释可以产生很大的不同，并且对任何进行 PCB 布局的人都有很大的帮助。它可以简单地说：

在每个 VCC 引脚附近放置 (1) 10uF 和 (1) 0.1uF

…靠近一组 40 个电容器，用于 FPGA 的 20 个引脚。

混合信号设计中的去耦可能很棘手，您可以越清楚地 传达 您辛辛苦苦达成的设计意图，最终产品就会越好。将原理图上的注释与唯一的网络名称和返回路径相结合，可以大大有助于使设计中的所有电路保持良好状态并按您希望的方式工作。

模拟电路笔记：这个相当容易做，并且可以在原理图级别添加很多内容。例如，如果您花费数小时微调运算放大器滤波器，则可以在原理图的适当位置添加一些注释，以便更容易理解功能，而无需启动 SPICE 仿真器。一些模拟滤波器拓扑结构很复杂，除非您生活在那个世界中，否则大多数工程师都不会将其放在大脑的最前沿。

简单地写一些像……

'三阶巴特沃斯低通滤波器，500kHz -3dB'

…意味着初级工程师和其他可能不是模拟大师的人可以看着这个模块说：“好吧，我可能不知道如何设计其中一个，但至少我知道它应该做什么。” 仅拥有这一级别的可用信息比我们许多人意识到的更重要，这也是我们通常认为理所当然的事情。

即使只是编写电路的增益和预期的输出范围，对于可能没有很多设计经验的软件工程师或技术人员进行的调试来说也是非常宝贵的。我们发现它对我们自己的设计很有用。有时发生的事情太多，以至于您忘记了一些细节;没关系，但是如果你把事情写下来，你将来会避免很多痛苦。

总结一下

我相信现在您已经开始明白了：您在原理图中包含的有用信息越多越好。由于多种原因，此信息可能是有利的。例如，它可以帮助软件工程师了解您希望芯片在启动时如何偏置，或者它可以告诉他们 I2C 设备的地址。执行工作台调试的技术人员可能会对它感兴趣，告诉他们您希望某些引脚上的输出电压范围是什么，某些组件应该物理放置在哪里，或者电路块应该做什么。

所有这些都适用于任何设计，但由于野兽的复杂性，它在混合信号设计中变得比以往任何时候都更加重要!多条供电路径和返回路径;集成 ASIC、数据转换器和电源转换器;清单不胜枚举。但是，您可以 在原理图中清楚地传达的信息越多 ，随着您的设计从想法到产品的进展，每个人的生活就会越轻松。