PCB部落格 - 混合訊號PCB板的分區設計

混合訊號的設計 PCB電路板 非常複雜, 以及組件的佈局和佈線, 以及電源和地線的處理, 將直接影響電路效能和電磁相容效能. 本文描述的接地和電源分區設計可以優化混合訊號電路的效能. 如何减少數位信號和類比信號之間的相互干擾? 設計前必須瞭解電磁相容性（EMC）的兩個基本原則：第一個原則是儘量减小電流環的面積； 第二個原則是系統只使用一個參攷曲面。 平板電腦，可以形成偶極子天線（注：小偶極子天線的輻射尺寸與電線長度、頻率成比例）； 如果在小回路返回時訊號不能盡可能通過，則可以形成大回路天線（注意：小回路天線的輻射尺寸與回路面積、頻率平方成比例）。在設計中應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和類比接地，以便實現數位和類比接地之間的隔離. 雖然這種方法是可行的, 有許多潜在問題, 尤其是在複雜的大系統中. 關鍵問題是佈線不能穿過分裂間隙. 一旦接線交叉, 電磁輻射和訊號串擾將急劇增加. 中的常見問題 PCB板 設計是訊號線穿過分裂的接地或電源，以產生電磁干擾問題.

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？ 假設兩個分開的接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，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很容易受到外部訊號的干擾。 不幸的是，當分裂接地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在一起，形成偶極子天線。 瞭解電流返回地面的位置和管道是優化混合訊號板設計的關鍵。 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。 如果必須劃分接地層，並且佈線必須通過分區之間的間隙，則可以在劃分的接地之間進行單點連接，以在兩個接地之間形成連接橋，然後通過連接橋佈線。 這樣，可以在每個訊號線下提供直流回流路徑，從而形成的環路面積小。 也可以使用光隔離器或變壓器實現跨越分裂間隙的訊號。 對於前者，穿過分割間隙的是光訊號； 在變壓器的情况下，穿過分割間隙的是磁場。 另一種可能的方法是使用差分訊號：訊號從一條線路流出，從另一條線路返回，在這種情況下，不需要接地作為返回路徑。 要深入研究數位信號對類比信號的干擾，首先必須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，囙此返回電流流過相鄰的電路層，無論該層是電源層還是接地層。

在實踐中，通常首選使用統一接地，PCB板分為類比部分和數位部分。 類比信號在電路板所有層的類比區域佈線，而數位信號在數位電路區域佈線。 在這種情況下，數位信號回路電流不會流入類比信號接地。 只有當數位信號路由到電路板的類比部分，或類比信號路由到電路板的數位部分時，才會發生數模干擾。 這個問題並不是因為沒有分裂接地，真正的原因是數位信號接線不當。 PCB板設計採用統一接地。 通過數位電路和類比電路的劃分以及適當的訊號佈線，通常可以解决一些困難的佈局和佈線問題，並且不會造成一些由接地分離引起的潜在故障。 在這種情況下，組件的佈局和分區成為决定設計質量的關鍵。 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。 否則，佈線不當的訊號線可能會完全破壞原本非常好的電路板。 當將A/D轉換器的類比接地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AGND和DGND引脚通過短引線連接到同一低阻抗接地。 （注意：由於大多數A/D轉換器晶片不將類比地和數位地連接在一起，類比地和數位地必須通過外部引脚連接），任何連接到DGND的外部阻抗都將通過寄生電容。 更多的數位雜訊耦合到集成電路內部的類比電路。 根據該建議，A/D轉換器的AGND和DGND引脚都需要連接到類比接地，但這種方法會產生問題，例如數位信號去耦電容器的接地應連接到類比接地還是數位接地。 如果系統只有一個A/D轉換器，則上述問題很容易解决。 如上圖3所示，在A/D轉換器下分離接地並將類比接地和數位接地部分連接在一起。 採用這種方法時，必須確保兩個接地之間的連接橋的寬度與集成電路的寬度相同，並且沒有訊號線可以穿過分割間隙。 例如，如果系統中有多個A/D轉換器，如何連接10個A/D轉換器？ 如果在每個A/D轉換器下將類比地和數位地連接在一起，則將存在多點連接，並且類比地和數位地之間的隔離將毫無意義。 如果你不這樣連接，你就違反了製造商的要求。 解決方案是從統一的基礎開始。 如下圖4所示，統一接地分為類比部分和數位部分。 這種佈局和佈線不僅滿足集成電路器件製造商對類比接地和數位接地引脚的低阻抗連接的要求，而且不會形成環形天線或偶極子天線，從而導致電磁相容性問題。

如果您對混合訊號PCB設計的統一接地方法有疑問，可以使用劃分接地層的方法來佈局和佈線整個電路板。 在設計時，注意使電路板易於在後續實驗中使用。 間距小於1/2英寸的跳線或0歐姆電阻將分裂接地連接在一起。 注意分區和佈線，確保類比部分頂部沒有數位信號線，所有層上的數位部分頂部沒有類比信號線。 此外，沒有訊號線可以跨越接地間隙或劃分電源之間的間隙。 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接地連接在一起，重新測試電路板的功能和EMC效能。 比較測試結果發現，在幾乎所有情况下，統一解決方案在功能和EMC效能方面都優於分段解決方案。 劃分土地的方法仍然有用嗎？ 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的低洩漏電流； 一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板的佈局受到某些約束。 混合訊號印刷電路板上通常有單獨的數位和類比電源，可以也應該使用分離電源面。 然而，緊鄰電源層的訊號線不能跨越電源之間的間隙，所有穿過間隙的訊號線必須位於緊鄰大面積接地的電路層上。 在某些情况下，將類比電源設計為PCB連接線而不是平面可以避免折開電源平面的問題。

混合訊號PCB設計是一個複雜的過程。 在設計過程中應注意以下幾點：

1）將PCB板劃分為單獨的類比和數位部分。

2）適當的組件佈局。

3）模數轉換器跨分區放置。

4）不要分開地面。 在電路板的類比和數位部分下均勻接地。

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進行路由。

7）實現類比和數位功率分割。

8）佈線不能跨越分裂電源平面之間的間隙。

9）必須穿過分割電源之間間隙的訊號線應位於緊鄰大面積接地的佈線層上。

10）分析了實際流過的回地電流的路徑和方法。

11) 正確使用 PCB板 接線規則.