PCB科技 - 如何實現混合訊號PCB的分區設計？

混合訊號電路的設計 印刷電路板 非常複雜. 元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EMC效能. 本文介紹的地、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：一是盡可能减小電流回路的面積； 另一個是系統中僅使用一個參攷曲面。 相反，如果系統中有兩個基準面，則可以形成偶極子天線（注：小偶極子天線的輻射大小與線的長度、流過的電流和頻率成正比）； 如果訊號不能通過盡可能小的環路返回，則可能形成一個大環路天線。環路的電流與頻率的平方成正比。 在設計中應儘量避免這兩種情况。

建議將混合訊號電路板上的數位地和類比地分開，以實現數位地和類比地之間的隔離. 雖然這種方法是可行的, 有許多潜在的問題, 尤其是在複雜的大型系統中. 關鍵的問題是不可能穿過分裂的縫隙. 一旦交叉, 電磁輻射和訊號串擾將迅速新增. 中的常見問題 印刷電路板 設計是由於訊號線跨越分割的地面或電源而引起的EMI問題.

我們使用上述分割方法，訊號線穿過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個地方連接（通常是某個位置的一個點）。 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。 如果流經大回路的電流為低電平類比電流，則電流容易受到外部訊號的干擾。 更糟糕的是，當分裂接地在電源處連接在一起時，將形成一個非常大的電流回路。 此外，通過長導線進行類比和數位連接將形成偶極子天線。

瞭解電流回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，而忽略了電流的具體路徑。 如果必須劃分地線層，並且必須通過隔板之間的間隙進行佈線，則可以在劃分的地線層之間進行單點連接，以在兩個地線層之間形成連接橋，然後通過連接橋進行佈線。 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非常小。

光學隔離裝置或變壓器也可用於跨越間隙。 對於前者，光訊號穿過間隙，而對於變壓器，磁場穿過間隙。 另一種可能的方法是使用差分訊號：訊號從一條線路流入，從另一條線路返回，在這種情況下，它們不需要用作返回路徑。

為了探索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。 高頻電流總是選擇訊號正下方的阻抗（電感）路徑，囙此返回電流將流經相鄰的電路層，無論相鄰的電路層是電源層還是接地層。

在實踐中, 印刷電路板 通常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, 數位信號在數位電路區域佈線. 在這種情況下, 數位信號的返回電流不會流向類比信號的接地.

只有當數位信號連接在電路板的類比部分或類比信號連接在電路板的數位部分時，才會出現數位信號對類比信號的干擾。 這個問題並不是因為沒有劃分，真正的原因是數位信號佈線不合適。

印刷電路板設計採用統一設計，通過數位電路和類比電路的劃分和適當的訊號佈線，通常可以解决一些困難的佈局和佈線問題，但也不會產生一些因接地劃分而引起的潜在故障。 在這種情況下，組件的佈局和劃分成為設計的關鍵。 如果佈局合理，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，訊號線佈線不當將徹底破壞非常好的電路板。

將a/D轉換器的類比接地引脚和數位接地引脚連接在一起時， 大多數a/D轉換器製造商會建議agnd和DGND引脚通過短引線連接到同一低阻抗接地（注：由於大多數a/D轉換器晶片不將類比接地和數位接地連接在一起，它們必須通過外部引脚連接）連接到DGND的任何外部阻抗都會將更多的數位雜訊耦合到IC內的類比電路 通過寄生電容。 根據該方案，有必要將A/D轉換器的agnd和DGND引脚連接到類比接地。 然而，這種方法可能會導致諸如數位信號去耦電容器的接地端子應連接到類比接地還是數位接地等問題。

如果系統只有一個a／D轉換器，上述問題就可以很容易地解决。 如圖3所示，接地被分割，類比和數位部分在A/D轉換器下連接在一起。 採用這種方法時，必須確保兩個接地之間的連接橋的寬度等於IC的寬度，並且沒有訊號線可以穿過分隔間隙。

例如，如果系統中有許多a/D轉換器，如何連接10個a/D轉換器？ 如果在每個a/D轉換器的底部將類比地和數位地連接在一起，則會出現多點連接，類比地和數位地之間的隔離沒有意義。 如果不以這種管道連接，則違反了製造商的要求。

如果您對混合訊號印刷電路板的統一設計有疑問，我們可以使用劃分接地層的方法來佈置和佈線整個電路板。 在設計中，我們應盡最大努力使電路板易於使用間距小於1/2英寸或0歐姆電阻的跳線連接分離的接地。 注意分區和佈線，確保所有層上類比部分上方沒有數位信號線或數位部分上方沒有任何類比信號線。 此外，任何訊號線都不能穿過接地間隙或分割電源之間的間隙。 測試電路板的功能和EMC效能，然後通過0歐姆電阻或跳線連接兩個接地，然後重新測試電路板的功能和EMC效能。 對比測試結果可以發現，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。

此方法可用於以下3種情况：一些醫療設備要求連接到患者的電路和系統之間的洩漏電流較低； 某些工業過程控制設備的輸出可能連接到高雜訊、大功率的機電設備； 另一種情况是印刷電路板的佈局受到限制。

在混合訊號印刷電路板中，通常有獨立的數位和類比電源，可以也應該採用分體式電源。 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，用印刷電路板連接線代替一個表面設計類比電源可以避免電源側分割的問題。

混合訊號的設計 印刷電路板 是一個複雜的過程. The following points should be paid attention to in the design process:

1、將印刷電路板分為獨立的類比部分和數位部分。

2、構件佈置合理。

3、A/D轉換器跨分區放置。

4、不要分割地面。 電路板均勻鋪設在類比部分和數位部分的下方。

5、在電路板的所有層中，數位信號只能在電路板的數位部分佈線。

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、實現類比和數位功率分離。

8、接線不得穿過分割電源面之間的間隙。

9、必須穿過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、分析實際流道和回流管道。

11、使用正確的接線規則。