混合信號PCB分區設計

PCB 混合信號電路的設計非常複雜。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。

如何降低數字信號和模擬信號之間的干擾？設計前必須了解電磁兼容（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平面。相反，如果系統有兩個參考平面，則可以形成偶極天線（注意：小偶極天線的輻射與線路長度、流過的電流量和頻率成正比）。如果信號沒有通過盡可能小的環路返回，則可能會形成一個大的圓形天線。在你的設計中盡可能避免兩者。

建議在混合信號電路板上將數字地和模擬地分開，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，尤其是在大型複雜系統中。最關鍵的問題是不要跨越隔板間隙佈線，一旦跨越隔板間隙佈線，電磁輻射和信號串擾會急劇增加。 PCB設計中最常見的問題是信號線越地或電源引起的EMI問題。

如圖1所示，我們採用上面的分割方法，信號線跨越兩個地之間的間隙，信號電流的返迴路徑是什麼？假設兩個分隔的土地在某個點連接（通常是一個點），在這種情況下，接地電流將形成一個大迴路。流過大迴路的高頻電流會產生輻射和高地電感。如果流過大迴路的低電平模擬電流容易受到外部信號的干擾。最糟糕的是，當這些部分在電源處連接在一起時，會形成一個非常大的電流迴路。此外，通過長導線連接的模擬地和數字地形成偶極天線。

了解電流回流到地的路徑和模式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。如果接地層必須分區，必須通過分區之間的間隙走線，可以在分區的地之間進行單點連接，形成兩個接地層之間的連接橋，然後通過連接橋走線。這樣可以在每條信號線下方提供直流回流路徑，從而形成較小的環路面積。

也可以使用光隔離器件或變壓器來實現信號跨越分段間隙。對於前者，跨越分割間隙的是光信號。在變壓器的情況下，跨越隔板間隙的是磁場。差分信號也是可能的：信號從一條線路流入並從另一條線路返回，在這種情況下，它們被不必要地用作回流路徑。

探討數字信號對模擬信號的干擾，首先要了解高頻電流的特性。高頻電流總是選擇信號正下方阻抗（電感）最低的路徑，因此回流電流將流經相鄰的電路層，而不管相鄰層是電源層還是地層。

在實踐中，通常首選使用統一的 PCB 劃分為模擬和數字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區域中佈線，而數字信號在數字電路區域中佈線。在這種情況下，數字信號返回電流不會流入模擬信號的地。

數字信號對模擬信號的干擾僅在數字信號通過或模擬信號通過電路板的數字部分路由時發生。這個問題不是因為沒有分段，真正的原因是數字信號的佈線不當。

PCB設計採用統一的，通過數字電路和模擬電路的劃分和適當的信號佈線，通常可以解決一些比較困難的佈局佈線問題，同時也不會有一些接地分割帶來的潛在麻煩。在這種情況下，組件的佈局和分區對於確定設計質量變得至關重要。如果佈局正確，數字接地電流將被限制在電路板的數字部分，並且不會干擾模擬信號。此類接線必須仔細檢查和檢查，以確保 100% 符合接線規則。否則，一條不合適的信號線會徹底毀掉一塊非常好的電路板。

將 A/D 轉換器的模擬和數字地引腳連接在一起時，大多數 A/D 轉換器製造商建議使用最短的引線將 AGND 和 DGND 引腳連接到相同的低阻抗地（注意：由於大多數A/D轉換器芯片內部沒有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將更多的數字噪聲耦合到IC內部的模擬電路電容。按照這個建議，A/D 轉換器的 AGND 和 DGND 引腳都需要連接到模擬地，但這種方法引發了諸如數字信號去耦電容的地端應該連接到模擬地還是數字地等問題。

如果系統只有一個A/D轉換器，上述問題就很容易解決。如圖 3 所示，接地是分開的，模擬和數字接地部分在 A/D 轉換器下方連接在一起。採用這種方法時，需要保證兩個站點之間的橋寬與IC寬度相等，並且沒有信號線可以跨越隔板間隙。

如果系統有很多A/D轉換器，例如10個A/D轉換器如何連接？如果每個A/D轉換器下面都連接模擬地和數字地，就會產生多點連接，模擬地和數字地之間的隔離將沒有意義。如果不這樣做，則違反了製造商的要求。

最好的方法是從制服開始。如圖4所示，地面統一分為模擬部分和數字部分。這種佈局不僅滿足了 IC 器件製造商對模擬和數字接地引腳的低阻抗連接的要求，而且避免了環形天線或偶極天線引起的 EMC 問題。

如果您對混合信號PCB設計的統一方法有疑問，可以採用地層分區的方法對整個電路板進行佈局佈線。設計時要注意電路板便於在後面的實驗中用間距小於0/1英寸的跳線或2歐電阻連接在一起。注意分區和佈線，確保所有層的模擬部分都沒有數字信號線，數字部分上面沒有模擬信號線。此外，信號線不應跨越接地間隙或分隔電源之間的間隙。為了測試單板的功能和EMC性能，通過0歐電阻或跳線將兩層連接在一起，重新測試單板的功能和EMC性能。對比測試結果發現，在幾乎所有情況下，統一解決方案在功能和 EMC 性能方面都優於拆分解決方案。

分地方法還管用嗎？

這種方法可用於三種情況：一些醫療設備要求連接到患者的電路和系統之間的漏電流非常低；一些工業過程控制設備的輸出可能連接到嘈雜和大功率的機電設備；另一種情況是 PCB 的 LAYOUT 受到特定限制。

混合信號 PCB 板上通常有單獨的數字和模擬電源，可以而且應該有一個分離的電源面。但是，與電源層相鄰的信號線不能跨越電源之間的間隙，所有跨越間隙的信號線必須位於大面積相鄰的電路層上。在某些情況下，模擬電源可以設計為帶有 PCB 連接而不是一個面，以避免電源面分裂。

混合信號PCB分區設計

混合信號PCB設計是一個複雜的過程，設計過程中應注意以下幾點：

1. 將 PCB 分成獨立的模擬和數字部分。

2. 適當的組件佈局。

3. A/D 轉換器跨分區放置。

4.不要分地。電路板的模擬部分和數字部分均勻鋪設。

5、在闆卡的所有層中，數字信號只能在闆卡的數字部分走線。

6. 在闆卡的所有層中，模擬信號只能在闆卡的模擬部分走線。

7. 模擬和數字電源分離。