01.設(shè)計(jì)理想的參考面

由于PCB的導(dǎo)線存在電阻、電感和電容，所以在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)純凈的、無阻抗的(理想的)地線和電源線是十分重要的。在模數(shù)混合電路設(shè)計(jì)中采用參考面是替代導(dǎo)線的最好設(shè)計(jì)。

02.模擬地和數(shù)字地分割

分割是指利用物理上的分割來減少不同類型線之間的耦合，尤其是通過電源線和地線的耦合。在模數(shù)混合電路中，如何降低數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的相互干擾是必須考慮的問題。在設(shè)計(jì)之前，必須了解PCB電磁兼容性的兩個(gè)基本原則：一是盡可能減小電流回路的面積；二是系統(tǒng)盡量只采用一個(gè)參考面。

由前面的介紹已知，假如信號(hào)不能由盡可能小的環(huán)路返回，則有可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線；如果系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面，就會(huì)形成一個(gè)偶極天線。因此，在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這兩種情況。避免這兩種情況的有效方法是將混合信號(hào)電路板上的數(shù)字地和模擬地分開，形成隔離。但是這種方法一旦跨越分割間隙(“壕”)布線，就會(huì)急劇增加電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_，如圖1所示。在PCB設(shè)計(jì)中，若信號(hào)線跨越分割參考面，就會(huì)產(chǎn)生EMI問題。

圖1布線跨越模擬地和數(shù)字地之間的間隙

在混合信號(hào)PCB的設(shè)計(jì)中，不僅對(duì)電源和“地”有特別要求，而且要求模擬噪聲和數(shù)字電路噪聲相互隔離以避免噪聲耦合。對(duì)電源分配系統(tǒng)的特殊需求，以及隔離模擬和數(shù)字電路之間噪聲耦合的要求，使得混合信號(hào)PCB的布局和布線具有一定的復(fù)雜性。

通常情況下，分割的兩個(gè)地會(huì)在PCB的某處連在一起(即在PCB的某個(gè)位置單點(diǎn)連接)，電流將形成一個(gè)大的環(huán)路。對(duì)高速數(shù)字信號(hào)電流而言，流經(jīng)大環(huán)路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生RF輻射和呈現(xiàn)一個(gè)很高的地電感；對(duì)模擬小信號(hào)電流而言，則很容易受到其他高速數(shù)字信號(hào)的干擾。另外，模擬地和數(shù)字地由一個(gè)長導(dǎo)線連接在一起會(huì)形成一個(gè)偶極天線。

對(duì)設(shè)計(jì)者來說，不能僅僅考慮信號(hào)電流從何處流過，而忽略了電流的返回路徑。了解電流回流到“地”的路徑和方式是最佳化混合信號(hào)電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

在進(jìn)行混合信號(hào)PCB的設(shè)計(jì)時(shí)，如果必須對(duì)接地平面進(jìn)行分割，而且必須由分割之間的間隙布線，則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”，然后經(jīng)由該連接“橋”布線，如圖2所示。這樣，在每一個(gè)信號(hào)線的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流返回路徑，從而可以使形成的環(huán)路面積很小。

圖2

對(duì)于采用光隔離元件或變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)跨越分割間隙的設(shè)計(jì)，以及采用差分對(duì)的設(shè)計(jì)(信號(hào)從一條線流入，從另一條線返回)，可以不考慮返回路徑。

03.采用“統(tǒng)一地平面”形式

在ADC或DAC電路中，需要將ADC或DAC的模擬地和數(shù)字地引腳連接在一起時(shí)，一般的建議是：將AGND和DGND引腳以最短的引線連接到同一個(gè)低阻抗的地平面上。

如果一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)使用一個(gè)ADC，如圖3所示，則可以將“地平面”分割開，在ADC芯片的下面把模擬地和數(shù)字地部分連接在一起。但是要求必須保證兩個(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。

圖3

如果一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中有多個(gè)ADC，在每一個(gè)ADC的下面都將模擬地和數(shù)字地連接在一起，則會(huì)產(chǎn)生多點(diǎn)相連，模擬地和數(shù)字地的“地平面”分割也就沒有意義了。對(duì)于這種情況，可以使用一個(gè)“統(tǒng)一的地平面”。如圖4所示，將統(tǒng)一的地平面分為模擬部分和數(shù)字部分，這樣的布局、布線既滿足對(duì)模擬地和數(shù)字地引腳低阻抗連接的要求，同時(shí)又不會(huì)形成環(huán)路天線或偶極天線所產(chǎn)生的EMC問題。最好的方法是開始設(shè)計(jì)時(shí)就用統(tǒng)一地。

圖4采用“統(tǒng)一的地平面”

因?yàn)榇蠖鄶?shù)A/D轉(zhuǎn)換器晶片內(nèi)部沒有將模擬地和數(shù)字地連接在一起，必須由外部引腳實(shí)現(xiàn)模擬地和數(shù)字地的連接，所以任何與DGND連接的外部阻抗都會(huì)由寄生電容將更多的數(shù)位噪聲耦合到IC內(nèi)部的模擬電路上。而使用一個(gè)“統(tǒng)一的地平面”，需要將A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND引腳都連接到模擬地上，但這種方法會(huì)產(chǎn)生如數(shù)字信號(hào)去耦電容的接地端應(yīng)該接到數(shù)字地還是模擬地的問題。

04.數(shù)字和模擬電源平面的分割

在模數(shù)混合電路中，通常采用獨(dú)立的數(shù)字電源和模擬電源分別供電。在模數(shù)混合信號(hào)的PCB上多采用分割的電源平面。應(yīng)注意的是緊鄰電源層的信號(hào)線不能跨越電源之間的間隙，而只有在緊鄰大面積“地”的信號(hào)層上的信號(hào)線才能跨越該間隙?？梢詫⒛M電源以PCB走線或填充的形式而不是一個(gè)電源平面來設(shè)計(jì)，這樣就可以避免電源平面的分割問題了。

在PCB布局過程中的一個(gè)重要步驟就是確保各個(gè)元件的電源平面(和地平面)可以進(jìn)行有效分組，并且不會(huì)與其他的電路發(fā)生重疊，如果使用多個(gè)獨(dú)立的電源并且這些電源有著自己的參考層，則不要讓這些層之間不相關(guān)的部分發(fā)生重疊。這是因?yàn)閮蓪颖浑娊橘|(zhì)隔開的導(dǎo)體表面會(huì)形成一個(gè)電容。如圖5所示，當(dāng)模擬電源層的一部分與數(shù)字地層的一部分發(fā)生重疊時(shí)，兩層發(fā)生重疊的部分就形成了一個(gè)小電容。事實(shí)上這個(gè)電容可能會(huì)非常小。不管怎樣，任何電容都能為噪聲提供從一個(gè)電源到另一個(gè)電源的通路，從而使隔離失去意義。

圖5層的重疊部分會(huì)形成一個(gè)電容

05.最小化電源線和地線的環(huán)路面積

最小化環(huán)路面積的規(guī)則是電源線和信號(hào)線與其回路構(gòu)成的環(huán)路面積要盡可能小，實(shí)際上就是為了盡量減小信號(hào)的回路面積。在一個(gè)模數(shù)混合電路中，如圖6所示，地的返回環(huán)境可能是非常復(fù)雜的。

圖6模數(shù)混合電路復(fù)雜的地的返回環(huán)境

保持電源線和信號(hào)線和它的地返回線緊靠在一起將有助于最小化地環(huán)路面積，以避免潛在的天線環(huán)。地環(huán)路面積越小，對(duì)外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。根據(jù)這一規(guī)則，在對(duì)地平面(接地平面)進(jìn)行分割時(shí)，要考慮到地平面與重要信號(hào)走線的分布，防止由于地平面開槽等帶來的問題；在雙層板設(shè)計(jì)中，在為電源留下足夠空間的情況下，應(yīng)該將留下的部分用參考地(接地平面)填充，并且增加一些必要的過孔，將雙面信號(hào)有效連接起來。對(duì)于一些關(guān)鍵信號(hào)，應(yīng)盡量采用地線隔離；對(duì)于一些頻率較高的設(shè)計(jì)，則需特別考慮其地平面信號(hào)回路的問題，建議采用多層板。

在信號(hào)導(dǎo)線下必須有固定的返回路徑(即固定地平面)以保持電流密度的均勻性。如圖7所示，返回電流是直接在信號(hào)導(dǎo)線下面流通，這將具有最小通道阻抗。

圖7在信號(hào)導(dǎo)線下有固定的返回路徑

06.模數(shù)混合電路的電源和接地布局示例

對(duì)于模數(shù)混合電路來說，電源和接地的PCB布局是很重要的。模數(shù)混合電路電源和接地PCB設(shè)計(jì)的一般原則如下：

(1)PCB分區(qū)為獨(dú)立的模擬電路和數(shù)字電路部分，并采用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">元器件布局。

(2)跨分區(qū)放置ADC或DAC。

(3)不要對(duì)“地平面”進(jìn)行分割，在PCB的模擬電路部分和數(shù)字電路部分下面設(shè)統(tǒng)一的地平面。

(4)采用正確的布線規(guī)則：在電路板的所有層中，數(shù)字信號(hào)只能在PCB的數(shù)字部分布線，模擬信號(hào)只能在電路板的模擬部分布線。

(5)模擬電源和數(shù)字電源分割，布線不能跨越分割電源面的間隙，必須跨越分割電源間隙的信號(hào)線要位于緊鄰大面積地平面的信號(hào)層上。

(6)分析返回電流實(shí)際流過的路徑和方式。

審核編輯：湯梓紅