摘要：混合信號電路的設計 PCB 非常複雜。 元器件的佈局佈線以及電源和地線的處理將直接影響電路性能和電磁兼容性能。 本文介紹的接地和電源分區設計可以優化混合信號電路的性能。

如何減少數字信號和模擬信號之間的相互干擾？ 在設計之前，我們必須了解電磁兼容（EMC）的兩個基本原則：第一個原則是最小化電流迴路的面積； 第二個原則是系統只使用一個參考面。 相反，如果系統有兩個參考平面，則可以組成偶極天線（注意：小偶極天線的輻射大小與線路長度、流過的電流量和頻率成正比）； 而如果信號不能盡可能多地通過小迴路的返回，則可能形成大迴路天線（注意：小迴路天線的輻射大小與迴路面積成正比，流過迴路的電流，平方頻率）。 在設計中盡量避免這兩種情況。

建議在混合信號電路板上將數字地和模擬地分開，這樣可以實現數字地和模擬地之間的隔離。 這種方法雖然可行，但存在許多潛在問題，尤其是在復雜的大規模系統中。 最關鍵的問題是不能跨部門間隙佈線。 一旦劃分間隙佈線，電磁輻射和信號串擾將急劇增加。 PCB設計中最常見的問題是信號線穿過分割地或電源而產生EMI問題。

如何實現混合信號PCB的分區設計

如圖1所示，我們採用上述劃分方式，信號線穿過兩個地之間的間隙。 信號電流的返迴路徑是什麼？ 假設分開的兩個地在某處連接在一起（通常是某個位置的單點連接），在這種情況下，地電流會形成一個大迴路。 流過大迴路的高頻電流會產生輻射和高地電感。 如果低電平模擬電流流過大迴路，電流很容易受到外部信號的干擾。 最糟糕的是，當在電源處將分開的地連接在一起時，會形成一個非常大的電流迴路。 另外，模擬地和數字地用長導線連接，形成偶極天線。

了解電流返回地的路徑和方法是優化混合信號電路板設計的關鍵。 許多設計工程師只考慮信號電流流向何處，而忽略了電流的具體路徑。 如果必須分割地層，並且必須通過分割間的間隙走線，可以在分割的地之間進行單點連接，形成兩個地之間的連接橋，然後通過連接橋佈線. 這樣就可以在每條信號線下設置直流迴路，形成的環路面積小。

使用光隔離器件或變壓器也可以實現信號跨越分割間隙。 對於前者，是跨越分割間隙的光信號； 在變壓器的情況下，穿過分段間隙的是磁場。 另一種可行的方法是使用差分信號：信號從一條線流入並從另一條信號線返回。 在這種情況下，不需要接地作為返迴路徑。

要深入探究數字信號對模擬信號的干擾，首先要了解高頻電流的特性。 對於高頻電流，總是選擇阻抗最小（電感最低）且信號正下方的路徑，這樣回流電流就會流過相鄰的電路層，不管相鄰層是電源層還是地層.

在實際工作中，一般傾向於使用統一地，將PCB分為模擬部分和數字部分。 模擬信號走線在電路板各層的模擬區，數字信號走線在數字電路區。 在這種情況下，數字信號返回電流不會流入模擬信號地。

只有當數字信號接線在電路板的模擬部分或模擬信號接線在電路板的數字部分時，才會出現數字信號對模擬信號的干擾。 不會出現這種問題，因為沒有分地，真正的原因是數字信號接線不當。

PCB設計採用統一接地，通過數字電路和模擬電路的劃分以及適當的信號佈線，通常可以解決一些比較困難的佈局佈線問題，同時也不會造成一些接地劃分帶來的潛在麻煩。 在這種情況下，組件的佈局和分區就成為決定設計優劣的關鍵。 如果佈局合理，數字地電流將被限制在電路板的數字部分，不會干擾模擬信號。 此類接線必須仔細檢查和驗證，以確保100%符合接線規則。 否則，不正確的信號線佈線將完全破壞原本非常好的電路板。

將 A/D 轉換器的模擬地和數字地引腳連接在一起時，大多數 A/D 轉換器製造商會建議：通過最短的引線將 AGND 和 DGND 引腳連接到相同的低阻抗地。 （注意：由於大多數A/D 轉換器芯片不會將模擬地和數字地連接在一起，因此模擬地和數字地必須通過外部引腳連接。）任何連接到DGND 的外部阻抗都會通過寄生電容。 更多的數字噪聲耦合到 IC 內部的模擬電路。 根據這個建議，需要將A/D轉換器的AGND和DGND引腳連接到模擬地，但是這種方法會導致數字信號去耦電容的地端是否應該連接到模擬地等問題或數字地面。

如何實現混合信號PCB的分區設計

如果系統只有一個A/D轉換器，上述問題就可以輕鬆解決。 如圖3所示，對地進行劃分，在A/D轉換器下方將模擬地和數字地連接在一起。 採用這種方法時，需要保證兩個地之間的連接橋的寬度與IC的寬度相同，任何信號線都不能跨越分割間隙。

如果系統中有很多A/D轉換器，例如10個A/D轉換器如何連接？ 如果模擬地和數字地在每個A/D轉換器下面連接在一起，就會產生多點連接，模擬地和數字地之間的隔離是沒有意義的。 如果不以這種方式連接，則違反了製造商的要求。