PCB新聞 - 如何實現混合訊號PCB的分區設計

PCB設計 混合訊號電路的設計非常複雜, 組件的佈局, 裝電線, 電源和地線處理將直接影響電路效能和電磁相容效能. 本文介紹的接地和電源分區設計可以優化混合訊號電路的效能.

如何减少數位和類比信號之間的干擾？ 在設計之前，必須瞭解電磁相容性的兩個基本原則：第一個原則是最小化電流回路面積； 第二個原則是系統僅使用一個參攷平面。 相反，如果系統有兩個基準面，則可能形成偶極子天線（注：小偶極子天線的輻射與線路長度、電流量和頻率成正比）。 如果訊號沒有通過盡可能小的環路返回，則可能形成一個大的圓形天線。 在設計中盡可能避免這兩種情况。

建議在混合訊號電路板上分離數位接地和類比接地，以實現數位接地和類比接地之間的隔離。 雖然這種方法是可行的，但它有許多潜在問題，尤其是在大型複雜系統中。 關鍵問題是不要跨間隙佈線，一旦跨間隙佈線，電磁輻射和訊號串擾將急劇增加。 PCB設計中的一個常見問題是訊號線穿過地面或電源引起的EMI問題。

我們使用上述分割方法，訊號線跨越兩個接地之間的間隙，訊號電流的返回路徑是什麼？ 假設兩個分區的地在某個點上連接（通常在一個點上連接一個點），在這種情況下，接地電流將形成一個大回路。 流過大回路的高頻電流將產生輻射和高接地電感。 如果流經大回路的低電平類比電流容易受到外部訊號的干擾。 缺點是，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回路。 此外，類比地和數位地通過長導線連接形成偶極子天線。

瞭解電流回流到地的路徑和模式是優化混合訊號電路板設計的關鍵。 許多設計工程師只考慮訊號電流的流向，而忽略了電流的特定路徑。 如果地面層必須分區並且必須通過分區之間的間隙佈線，則可以在分區地面之間進行單點連接，以在兩個地面層之間形成連接橋，然後通過連接橋佈線。 這樣，可以在每個訊號線下方提供直流回流路徑，從而形成較小的回路面積。

光隔離裝置或變壓器也可用於實現訊號穿過分割間隙。 對於前者，跨越分割間隙的是光訊號。 在變壓器的情况下，是磁場跨越了隔板間隙。 也可以使用差分訊號：訊號從一條線路流入，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。

為了探索數位信號對類比信號的干擾，我們必須首先瞭解高頻電流的特性。 高頻電流總是選擇阻抗（電感），即訊號正下方的路徑，囙此返回電流將流經相鄰的電路層，無論相鄰層是電源層還是接地層。

在實踐中，通常首選將PCB均勻劃分為類比和數位部分。 類比信號路由在電路板所有層的類比區域，而數位信號路由在數位電路區域。 在這種情況下，數位信號返回電流不會流入類比信號的接地。

只有當數位信號經過電路板的數位部分或類比信號經過電路板的數位部分時，才會發生從數位信號到類比信號的干擾。 這個問題並不是由於缺乏分割，真正的原因是數位信號佈線不當。

PCB設計採用統一的管道，通過數位電路和類比電路的劃分和適當的訊號佈線，通常可以解决一些比較困難的佈局和佈線問題，也不存在一些由接地分段引起的潜在問題。 在這種情況下，組件的佈局和分區對於確定設計質量至關重要。 如果佈局正確，數位接地電流將限制在電路板的數位部分，並且不會干擾類比信號。 必須仔細檢查此類接線，以確保完全符合接線規則。 O

囙此，不正確的訊號線將完全破壞非常好的電路板。

當將A/D轉換器的類比和數位接地引脚連接在一起時，大多數A/D轉換器製造商建議使用短引線將AGND和DGND引脚連接到同一低阻抗接地（注意：由於大多數A/D轉換器晶片內部不將類比和數位接地連接在一起，類比和數位接地必須通過外部引脚連接）， 任何連接到DGND的外部阻抗都會通過寄生電容將更多的數位雜訊耦合到IC內部的類比電路。 根據該建議，A/D轉換器AGND和DGND引脚都需要連接到類比地，但這種方法提出了一些問題，例如數位信號去耦電容器的接地端應連接到類比地還是數位地。

如果系統只有一個A/D轉換器，則上述問題很容易解决。 如圖3所示，接地被分割，類比和數位接地部分在A/D轉換器下連接在一起。 採用這種方法時，必須確保兩個網站之間的橋寬等於IC寬度，並且沒有訊號線可以穿過分區間隙。

如果系統有多個A/D轉換器，例如10個A/D轉換器，如何連接？ 如果在每個A/D轉換器下連接類比和數位接地，將產生多點連接，類比和數位接地之間的隔離將毫無意義。 如果不這樣做，則違反了製造商的要求。

要做到這一點，首先要穿上制服。 將地面均勻劃分為類比和數位部分。 這種佈局不僅滿足了集成電路器件製造商對類比和數位接地引脚低阻抗連接的要求，而且避免了環形天線或偶極子天線引起的電磁相容問題。

如果您對混合訊號PCB設計的統一方法有疑問，可以使用接地層劃分的方法來佈置和佈線整個電路板。 在設計中，應注意使電路板易於通過跳線或0歐姆電阻連接在一起，在以後的實驗中間距小於1/2英寸。 注意分區和佈線，以確保所有層上的類比部分上方沒有數位信號線，並且數位部分上方沒有類比信號線。 此外，任何訊號線都不應穿過接地間隙或分割電源之間的間隙。 要測試電路板的功能和EMC效能，請通過0歐姆電阻器或跳線將兩個地板連接在一起，重新測試電路板的功能和EMC效能。 比較測試結果發現，與折開解決方案相比，在幾乎所有情况下，統一解決方案在功能和EMC效能方面都優於折開解決方案。

這種方法可用於3種情况：一些醫療設備需要連接到患者的電路和系統之間非常低的洩漏電流； 某些工業過程控制設備的輸出可能連接到雜訊和大功率機電設備； 另一種情况是PCB的佈局受到特定限制。

混合訊號PCB板上通常有單獨的數位和類比電源，可以並且應該有一個分開的電源面。 然而，與電源層相鄰的訊號線不能穿過電源之間的間隙，所有穿過間隙的訊號線必須位於與大面積相鄰的電路層上。 在某些情况下，可以使用PCB連接而不是單面設計類比電源，以避免電源面分裂。

#混合訊號PCB設計是一個複雜的過程，設計過程應注意以下幾點：

1、將PCB分為單獨的類比和數位部分。

2、正確的部件佈局。

3.A/D轉換器跨分區放置。

4、不要分割土地。 電路板的類比部分和數位部分均勻佈置。

5、在電路板的所有層中，數位信號只能路由到電路板的數位部分。

6、在電路板的所有層中，類比信號只能在電路板的類比部分佈線。

7、類比和數位功率分離。

8、接線不應跨越分裂電源表面之間的間隙。

9、必須跨越分裂電源之間間隙的訊號線應位於靠近大面積的佈線層上。

10、分析接地電流的實際路徑和模式。

11、使用正確的接線規則。