如何優(yōu)化混合信號(hào)電路

著電子產(chǎn)品的功能變得日益復(fù)雜，混合信號(hào)越來(lái)越多地出現(xiàn)在工程師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中。雖然混合信號(hào)可以給設(shè)計(jì)帶來(lái)靈活性，但由于模擬和數(shù)字信號(hào)有著不同的頻率和幅度特性，因而工程師調(diào)試和測(cè)試產(chǎn)品的難度也增大了。本文介紹的地和電源的分區(qū)設(shè)計(jì)能優(yōu)化混合信號(hào)電路的性能。
　　如何降低數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)間的相互干擾呢？在設(shè)計(jì)之前必須了解電磁兼容(EMC)的兩個(gè)基本原則：第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個(gè)原則是系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面。相反，如果系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線(注：小型偶極天線的輻射大小與線的長(zhǎng)度、流過(guò)的電流大小以及頻率成正比)；而如果信號(hào)不能通過(guò)盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線(注：小型環(huán)狀天線的輻射大小與環(huán)路面積、流過(guò)環(huán)路的電流大小以及頻率的平方成正比)。在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這兩種情況。
　　有人建議將混合信號(hào)電路板上的數(shù)字地和模擬地分割開(kāi)，這樣能實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬地之間的隔離。盡管這種方法可行，但是存在很多潛在的問(wèn)題，在復(fù)雜的大型系統(tǒng)中問(wèn)題尤其突出。最關(guān)鍵的問(wèn)題是不能跨越分割間隙布線，一旦跨越了分割間隙布線，電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_都會(huì)急劇增加。在PCB設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的問(wèn)題就是信號(hào)線跨越分割地或電源而產(chǎn)生EMI問(wèn)題。

　　
　　
　　如圖1所示，我們采用上述分割方法，而且信號(hào)線跨越了兩個(gè)地之間的間隙，信號(hào)電流的返回路徑是什么呢？假定被分割的兩個(gè)地在某處連接在一起(通常情況下是在某個(gè)位置單點(diǎn)連接)，在這種情況下，地電流將會(huì)形成一個(gè)大的環(huán)路。流經(jīng)大環(huán)路的高頻電流會(huì)產(chǎn)生輻射和很高的地電感，如果流過(guò)大環(huán)路的是低電平模擬電流，該電流很容易受到外部信號(hào)干擾。最糟糕的是當(dāng)把分割地在電源處連接在一起時(shí)，將形成一個(gè)非常大的電流環(huán)路。另外，模擬地和數(shù)字地通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)導(dǎo)線連接在一起會(huì)構(gòu)成偶極天線。
　　了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號(hào)電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。許多設(shè)計(jì)工程師僅僅考慮信號(hào)電流從哪兒流過(guò)，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對(duì)地線層進(jìn)行分割，而且必須通過(guò)分割之間的間隙布線，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地之間的連接橋，然后通過(guò)該連接橋布線。這樣，在每一個(gè)信號(hào)線的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很小。
　　采用光隔離器件或變壓器也能實(shí)現(xiàn)信號(hào)跨越分割間隙。對(duì)于前者，跨越分割間隙的是光信號(hào)；在采用變壓器的情況下，跨越分割間隙的是磁場(chǎng)。還有一種可行的辦法是采用差分信號(hào)：信號(hào)從一條線流入從另外一條信號(hào)線返回，這種情況下，不需要地作為回流路徑。
　　要深入探討數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾必須先了解高頻電流的特性。高頻電流總是選擇阻抗最小(電感最低)，直接位于信號(hào)下方的路徑，因此返回電流會(huì)流過(guò)鄰近的電路層，而無(wú)論這個(gè)臨近層是電源層還是地線層。
　　在實(shí)際工作中一般傾向于使用統(tǒng)一地，而將PCB分區(qū)為模擬部分和數(shù)字部分。模擬信號(hào)在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線，而數(shù)字信號(hào)在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線。在這種情況下，數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流入到模擬信號(hào)的地。
　　只有將數(shù)字信號(hào)布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號(hào)布線在電路板的數(shù)字部分之上時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。出現(xiàn)這種問(wèn)題并不是因?yàn)闆](méi)有分割地，真正的原因是數(shù)字信號(hào)的布線不適當(dāng)。
　　PCB設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一地，通過(guò)數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)以及合適的信號(hào)布線，通常可以解決一些比較困難的布局布線問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生因地分割帶來(lái)的一些潛在的麻煩。在這種情況下，元器件的布局和分區(qū)就成為決定設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。如果布局布線合理，數(shù)字地電流將限制在電路板的數(shù)字部分，不會(huì)干擾模擬信號(hào)。對(duì)于這樣的布線必須仔細(xì)地檢查和核對(duì)，要保證百分之百遵守布線規(guī)則。否則，一條信號(hào)線走線不當(dāng)就會(huì)徹底破壞一個(gè)本來(lái)非常不錯(cuò)的電路板。
　　在將A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字地管腳連接在一起時(shí)，大多數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器廠商會(huì)建議：將AGND和DGND管腳通過(guò)最短的引線連接到同一個(gè)低阻抗的地上(注：因?yàn)榇蠖鄶?shù)A/D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部沒(méi)有將模擬地和數(shù)字地連接在一起，必須通過(guò)外部管腳實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字地的連接)，任何與DGND連接的外部阻抗都會(huì)通過(guò)寄生電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到IC內(nèi)部的模擬電路上。按照這個(gè)建議，需要把A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND管腳都連接到模擬地上，但這種方法會(huì)產(chǎn)生諸如數(shù)字信號(hào)去耦電容的接地端應(yīng)該接到模擬地還是數(shù)字地的問(wèn)題。
　　如果系統(tǒng)僅有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，上面的問(wèn)題就很容易解決。如圖3

　　
　　圖中所示，將地分割開(kāi)，在A/D轉(zhuǎn)換器下面把模擬地和數(shù)字地部分連接在一起。采取該方法時(shí)，必須保證兩個(gè)地之間的連接橋?qū)挾扰cIC等寬，并且任何信號(hào)線都不能跨越分割間隙。
　　如果系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器較多，例如10個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器怎樣連接呢？如果在每一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的下面都將模擬地和數(shù)字地連接在一起，則產(chǎn)生多點(diǎn)相連，模擬地和數(shù)字地之間的隔離就毫無(wú)意義。而如果不這樣連接，就違反了廠商的要求。
　　最好的辦法是開(kāi)始時(shí)就用統(tǒng)一地。如圖4

　　
　　如圖所示，將統(tǒng)一的地分為模擬部分和數(shù)字部分。這樣的布局布線既滿(mǎn)足了IC器件廠商對(duì)模擬地和數(shù)字地管腳低阻抗連接的要求，同時(shí)又不會(huì)形成環(huán)路天線或偶極天線而產(chǎn)生EMC問(wèn)題。
　　如果對(duì)混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一地的做法心存疑慮，可以采用地線層分割的方法對(duì)整個(gè)電路板布局布線，在設(shè)計(jì)時(shí)注意盡量使電路板在后邊實(shí)驗(yàn)時(shí)易于用間距小于1/2英寸的跳線或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區(qū)和布線，確保在所有的層上沒(méi)有數(shù)字信號(hào)線位于模擬部分之上，也沒(méi)有任何模擬信號(hào)線位于數(shù)字部分之上。而且，任何信號(hào)線都不能跨越地間隙或是分割電源之間的間隙。要測(cè)試該電路板的功能和EMC性能，然后將兩個(gè)地通過(guò)0歐姆電阻或跳線連接在一起，重新測(cè)試該電路板的功能和EMC性能。比較測(cè)試結(jié)果，會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎在所有的情況下，統(tǒng)一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更優(yōu)越。