混合信号PCB分区设计

26
10月

PCB 混合信号电路的设计非常复杂。元器件的布局布线以及电源和地线的处理将直接影响电路性能和电磁兼容性能。本文介绍的接地和电源分区设计可以优化混合信号电路的性能。

如何降低数字信号和模拟信号之间的干扰？设计前必须了解电磁兼容（EMC）的两个基本原则：第一个原则是最小化电流回路的面积；第二个原则是系统只使用一个参考平面。相反，如果系统有两个参考平面，则可以形成偶极天线（注意：小偶极天线的辐射与线路长度、流过的电流量和频率成正比）。如果信号没有通过尽可能小的环路返回，则可能会形成一个大的圆形天线。在你的设计中尽可能避免两者。

建议在混合信号电路板上将数字地和模拟地分开，以实现数字地和模拟地之间的隔离。这种方法虽然可行，但存在许多潜在问题，尤其是在大型复杂系统中。最关键的问题是不要跨越隔板间隙布线，一旦跨越隔板间隙布线，电磁辐射和信号串扰会急剧增加。 PCB设计中最常见的问题是信号线越地或电源引起的EMI问题。

如图1所示，我们使用上面的分割方法，信号线跨越两个地之间的间隙，信号电流的返回路径是什么？假设两个分隔的土地在某个点连接（通常在一个点上连接一个点），在这种情况下，接地电流将形成一个大回路。流过大回路的高频电流会产生辐射和高地电感。如果流过大回路的低电平模拟电流容易受到外部信号的干扰。最糟糕的是，当这些部分在电源处连接在一起时，会形成一个非常大的电流回路。此外，通过长导线连接的模拟地和数字地形成偶极天线。

了解电流回流到地的路径和模式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师只考虑信号电流流向何处，而忽略了电流的具体路径。如果接地层必须分区，必须通过分区之间的间隙走线，可以在分区的地之间进行单点连接，形成两个接地层之间的连接桥，然后通过连接桥走线。这样可以在每条信号线下方提供直流回流路径，从而形成较小的环路面积。

也可以使用光隔离器件或变压器来实现信号跨越分段间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号。在变压器的情况下，跨越隔板间隙的是磁场。差分信号也是可能的：信号从一条线流入并从另一条线返回，在这种情况下，它们被不必要地用作回流路径。

探讨数字信号对模拟信号的干扰，首先要了解高频电流的特性。高频电流总是选择信号正下方阻抗（电感）最低的路径，因此返回电流将流经相邻的电路层，而不管相邻层是电源层还是地层。

在实践中，通常首选使用统一的 PCB 划分为模拟和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区域中布线，而数字信号在数字电路区域中布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入模拟信号的地。

数字信号对模拟信号的干扰仅在数字信号通过或模拟信号通过电路板的数字部分路由时发生。这个问题不是因为没有分段，真正的原因是数字信号的布线不当。

PCB设计采用统一的，通过数字电路和模拟电路的划分和适当的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会有一些接地分割带来的潜在麻烦。在这种情况下，组件的布局和分区对于确定设计质量变得至关重要。如果布局正确，数字接地电流将被限制在电路板的数字部分，并且不会干扰模拟信号。此类接线必须仔细检查和检查，以确保 100% 符合接线规则。否则，一条不合适的信号线会彻底毁掉一块非常好的电路板。

将 A/D 转换器的模拟和数字接地引脚连接在一起时，大多数 A/D 转换器制造商建议使用最短的引线将 AGND 和 DGND 引脚连接到相同的低阻抗接地（注意：由于大多数A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，因此模拟地和数字地必须通过外部引脚连接），任何连接到DGND的外部阻抗都会通过寄生将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路电容。按照这个建议，A/D 转换器的 AGND 和 DGND 引脚都需要连接到模拟地，但这种方法引发了诸如数字信号去耦电容的地端应该连接到模拟地还是数字地等问题。

如果系统只有一个A/D转换器，上述问题就很容易解决。如图 3 所示，接地是分开的，模拟和数字接地部分在 A/D 转换器下方连接在一起。采用这种方法时，需要保证两个站点之间的桥宽与IC宽度相等，并且没有信号线可以跨越隔板间隙。

如果系统有很多A/D转换器，例如10个A/D转换器如何连接？如果每个A/D转换器下面都连接模拟地和数字地，就会产生多点连接，模拟地和数字地之间的隔离将没有意义。如果不这样做，则违反了制造商的要求。

最好的方法是从制服开始。如图4所示，地面统一分为模拟部分和数字部分。这种布局不仅满足了 IC 器件制造商对模拟和数字接地引脚的低阻抗连接的要求，而且避免了环形天线或偶极天线引起的 EMC 问题。

如果您对混合信号PCB设计的统一方法有疑问，可以采用地层分区的方法对整个电路板进行布局布线。设计时要注意电路板便于在后面的实验中用间距小于0/1英寸的跳线或2欧电阻连接在一起。注意分区和布线，确保所有层的模拟部分都没有数字信号线，数字部分上面没有模拟信号线。此外，信号线不应跨越接地间隙或分隔电源之间的间隙。为了测试单板的功能和EMC性能，通过0欧电阻或跳线将两层连接在一起，重新测试单板的功能和EMC性能。对比测试结果发现，在几乎所有情况下，统一解决方案在功能和 EMC 性能方面都优于拆分解决方案。

分地方法还管用吗？

这种方法可用于三种情况：一些医疗设备要求连接到患者的电路和系统之间的漏电流非常低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到嘈杂和大功率的机电设备；另一种情况是 PCB 的 LAYOUT 受到特定限制。

混合信号 PCB 板上通常有单独的数字和模拟电源，可以而且应该有一个分离的电源面。但是，与电源层相邻的信号线不能跨越电源之间的间隙，所有跨越间隙的信号线必须位于大面积相邻的电路层上。在某些情况下，模拟电源可以设计为带有 PCB 连接而不是一个面，以避免电源面分裂。

混合信号PCB分区设计

混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程中应注意以下几点：

1. 将 PCB 分成独立的模拟和数字部分。

2. 适当的组件布局。

3. A/D 转换器跨分区放置。

4.不要分地。电路板的模拟部分和数字部分均匀铺设。

5、在板卡的所有层中，数字信号只能在板卡的数字部分走线。

6. 在板卡的所有层中，模拟信号只能在板卡的模拟部分走线。

7. 模拟和数字电源分离。