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混合信号PCB的分区设计方法

发布时间 :2018-01-22 11:20 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
混合信号电路PCB的设计很复杂,零组件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁相容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能最佳化混合信号电路的性能。
 
如何降低数位信号和类比信号间的相互干扰呢?在设计之前必须了解电磁相容(EMC)的两个基本原则:第一个原则是尽可能减小电流回路的面积;第二个原则是系统只采用一个参考面。相反,如果系统存在两个参考面,就可能形成一个偶极天线(注:小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比);而如果信号不能藉由尽可能小的环路返回,就可能形成一个大的环状天线(注:小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。
 图1:信号线跨越分割地之间的间隙。电流的返回路径是什么?
图1:信号线跨越分割地之间的间隙。电流的返回路径是什么?
 
有人建议将混合信号电路板上的数位地和类比地分割开,这样能实现数位地和类比地之间的隔离。尽管这种方法可行,但是存在很多潜在的问题,在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。
 
如图1所示,我们采用上述分割方法,而且信号线跨越了两个地之间的间隙,信号电流的返回路径是什么呢?假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接),在这种情况下,地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感,如果流过大环路的是低电平类比电流,该电流很容易受到外部信号干扰。最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时,将形成一个非常大的电流环路。另外,类比地和数位地藉由一个长导线连接在一起会构成偶极天线。
 
了解电流回流到地的路径和方式是最佳化混合信号电路板设计的关键。许多PCB设计工程师仅仅考虑信号电流从何处流过,而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割,而且必须藉由分割之间的间隙布线,可以先在被分割的地之间进行单点连接,形成两个地之间的连接桥,然后藉由该连接桥布线。这样,在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径,从而使形成的环路面积很小。
图2:类比地和数位地之间实现单点连接,从而构成跨区域信号传输的连接桥。该信号连接桥将提供信号的返回电流路径。
图2:类比地和数位地之间实现单点连接,从而构成跨区域信号传输的连接桥。该信号连接桥将提供信号的返回电流路径。
 
采用光隔离元件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者,跨越分割间隙的是光信号;在采用变压器的情况下,跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号:信号从一条线流入从另外一条信号线返回,这种情况下,不需要地作为回流路径。
 
要深入探讨数位信号对类比信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低),直接位于信号下方的路径,因此返回电流会流过邻近的电路层,而无论这个临近层是电源层还是地线层。
 
在实际工作中一般倾向于使用统一地,而将PCB分区为类比部份和数位部份。类比信号在电路板所有层的类比区内布线,而数位信号在数位电路区内布线。在这种情况下,数位信号返回电流不会流入到类比信号的地。
 
只有将数位信号布线在电路板的类比部份之上或者将类比信号布线在电路板的数位部份之上时,才会出现数位信号对类比信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地,真正的原因是数位信号的布线不适当。
 
PCB设计采用统一地,藉由数位电路和类比电路分区以及合适的信号布线,通常可以解决一些比较困难的布局布线问题,同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下,零组件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理,数位地电流将限制在电路板的数位部份,不会干扰类比信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对,要保証百分之百遵守布线规则。否则,一条信号线走线不当就会彻底破坏一个设计优良的电路板。
 
在将A/D转换器的类比地和数位地管脚连接在一起时,大多数的A/D转换器厂商会建议:将AGND和DGND管脚藉由最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注:因为大多数A/D转换器晶片内部没有将类比地和数位地连接在一起,必须藉由外部管脚实现类比和数位地的连接),任何与DGND连接的外部阻抗都会藉由寄生电容将更多的数位噪声藕合到IC内部的类比电路上。按照这个建议,需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到类比地上,但这种方法会产生诸如数位信号去藕电容的接地端应该接到类比地还是数位地的问题。
如图3中所示,将地分割开,在A/D转换器下面把类比地和数位地部份连接在一起。采取该方法时,必须保証两个地之间的连接桥宽度与IC等宽,并且任何信号线都不能跨越分割间隙。
 
如果系统仅有一个A/D转换器,上面的问题就很容易解决。如图3中所示,将地分割开,在A/D转换器下面把类比地和数位地部份连接在一起。采取该方法时,必须保証两个地之间的连接桥宽度与IC等宽,并且任何信号线都不能跨越分割间隙。
 
如果系统中A/D转换器较多,例如10个A/D转换器怎样连接呢?如果在每一个A/D转换器的下面都将类比地和数位地连接在一起,则产生多点相连,类比地和数位地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接,就违反了厂商的要求。
 
最好的办法是开始时就用统一地。如图4所示,将统一的地分为类比部份和数位部份。这样的布局布线既满足了IC元件厂商对类比地和数位地管脚低阻抗连接的要求,同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。
 
如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑,可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线,在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线,确保在所有的层上没有数位信号线位于类比部份之上,也没有任何类比信号线位于数位部份之上。而且,任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能,然后将两个地藉由0欧姆电阻或跳线连接在一起,重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果,会发现几乎在所有的情况下,统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。
 
分割地的方法还有用吗?
在以下三种情况可以用到这种方法:一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低;一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上;另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。
 
在混合信号PCB板上通常有独立的数位和类比电源,能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙,而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下,将类比电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。
在有些情况下,将类比电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。
 
混合信号PCB设计是一个复杂的过程,设计过程要注意以下几点:
1.将PCB分区为独立的类比部份和数位部份。
2.合适的零组件布局。
3.A/D转换器跨分区放置。
4.不要对地进行分割。在电路板的类比部份和数位部份下面敷设统一地。
5.在电路板的所有层中,数位信号只能在电路板的数位部份布线。
6.在电路板的所有层中,类比信号只能在电路板的类比部份布线。
7.实现类比和数位电源分割。
8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。
9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。
10.分析返回地电流实际流过的路径和方式。
11.采用正确的布线规则。


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