混合信號(hào)電路PCB的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，零組件的布局、布線(xiàn)以及電源和地線(xiàn)的處理將直接影響到電路性能和電磁相容性能。本文介紹的地和電源的分區(qū)設(shè)計(jì)能最佳化混合信號(hào)電路的性能。
如何降低數(shù)位信號(hào)和類(lèi)比信號(hào)間的相互干擾呢？在設(shè)計(jì)之前必須了解電磁相容(EMC)的兩個(gè)基本原則：第一個(gè)原則是盡可能減小電流回路的面積；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(xiàn)(注：小型偶極天線(xiàn)的輻射大小與線(xiàn)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)不能藉由盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線(xiàn)(注：小型環(huán)狀天線(xiàn)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。
圖1：信號(hào)線(xiàn)跨越分割地之間的間隙。電流的返回路徑是什么？
有人建議將混合信號(hào)電路板上的數(shù)位地和類(lèi)比地分割開(kāi)，這樣能實(shí)現(xiàn)數(shù)位地和類(lèi)比地之間的隔離。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(xiàn)，一旦跨越了分割間隙布線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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)路的是低電平類(lèi)比電流，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，類(lèi)比地和數(shù)位地藉由一個(gè)長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)連接在一起會(huì)構(gòu)成偶極天線(xiàn)。
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。許多PCB設(shè)計(jì)工程師僅僅考慮信號(hào)電流從何處流過(guò)，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對(duì)地線(xiàn)層進(jìn)行分割，而且必須藉由分割之間的間隙布線(xiàn)，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，然后藉由該連接橋布線(xiàn)。這樣，在每一個(gè)信號(hào)線(xiàn)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。
圖2：類(lèi)比地和數(shù)位地之間實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)連接，從而構(gòu)成跨區(qū)域信號(hào)傳輸?shù)倪B接橋。該信號(hào)連接橋?qū)⑻峁┬盘?hào)的返回電流路徑。
采用光隔離元件或變壓器也能實(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(xiàn)流入從另外一條信號(hào)線(xiàn)返回，這種情況下，不需要地作為回流路徑。
要深入探討數(shù)位信號(hào)對(duì)類(lèi)比信號(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(xiàn)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)為類(lèi)比部份和數(shù)位部份。類(lèi)比信號(hào)在電路板所有層的類(lèi)比區(qū)內(nèi)布線(xiàn)，而數(shù)位信號(hào)在數(shù)位電路區(qū)內(nèi)布線(xiàn)。在這種情況下，數(shù)位信號(hào)返回電流不會(huì)流入到類(lèi)比信號(hào)的地。
只有將數(shù)位信號(hào)布線(xiàn)在電路板的類(lèi)比部份之上或者將類(lèi)比信號(hào)布線(xiàn)在電路板的數(shù)位部份之上時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)數(shù)位信號(hào)對(duì)類(lèi)比信號(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)位信號(hào)的布線(xiàn)不適當(dāng)。
PCB設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一地，藉由數(shù)位電路和類(lèi)比電路分區(qū)以及合適的信號(hào)布線(xiàn)，通常可以解決一些比較困難的布局布線(xiàn)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，零組件的布局和分區(qū)就成為決定設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。如果布局布線(xiàn)合理，數(shù)位地電流將限制在電路板的數(shù)位部份，不會(huì)干擾類(lèi)比信號(hào)。對(duì)于這樣的布線(xiàn)必須仔細(xì)地檢查和核對(duì)，要保証百分之百遵守布線(xiàn)規(guī)則。否則，一條信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)不當(dāng)就會(huì)徹底破壞一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的電路板。
在將A/D轉(zhuǎn)換器的類(lèi)比地和數(shù)位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管腳藉由最短的引線(xiàn)連接到同一個(gè)低阻抗的地上(注：因?yàn)榇蠖鄶?shù)A/D轉(zhuǎn)換器晶片內(nèi)部沒(méi)有將類(lèi)比地和數(shù)位地連接在一起，必須藉由外部管腳實(shí)現(xiàn)類(lèi)比和數(shù)位地的連接)，任何與DGND連接的外部阻抗都會(huì)藉由寄生電容將更多的數(shù)位噪聲藕合到IC內(nèi)部的類(lèi)比電路上。按照這個(gè)建議，需要把A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND管腳都連接到類(lèi)比地上，但這種方法會(huì)產(chǎn)生諸如數(shù)位信號(hào)去藕電容的接地端應(yīng)該接到類(lèi)比地還是數(shù)位地的問(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中所示，將地分割開(kāi)，在A/D轉(zhuǎn)換器下面把類(lèi)比地和數(shù)位地部份連接在一起。采取該方法時(shí)，必須保証兩個(gè)地之間的連接橋?qū)挾扰cIC等寬，并且任何信號(hào)線(xiàn)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)換器的下面都將類(lèi)比地和數(shù)位地連接在一起，則產(chǎn)生多點(diǎn)相連，類(lèi)比地和數(shù)位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所示，將統(tǒng)一的地分為類(lèi)比部份和數(shù)位部份。這樣的布局布線(xiàn)既滿(mǎn)足了IC元件廠商對(duì)類(lèi)比地和數(shù)位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(xiàn)或偶極天線(xiàn)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(xiàn)層分割的方法對(duì)整個(gè)電路板布局布線(xiàn)，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(xiàn)或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區(qū)和布線(xiàn)，確保在所有的層上沒(méi)有數(shù)位信號(hào)線(xiàn)位于類(lèi)比部份之上，也沒(méi)有任何類(lèi)比信號(hào)線(xiàn)位于數(shù)位部份之上。而且，任何信號(hào)線(xiàn)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)地藉由0歐姆電阻或跳線(xiàn)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。
分割地的方法還有用嗎？
在以下三種情況可以用到這種方法：一些醫(yī)療設(shè)備要求在與病人連接的電路和系統(tǒng)之間的漏電流很低；一些工業(yè)過(guò)程控制設(shè)備的輸出可能連接到噪聲很大而且功率高的機(jī)電設(shè)備上；另外一種情況就是在PCB的布局受到特定限制時(shí)。
在混合信號(hào)PCB板上通常有獨(dú)立的數(shù)位和類(lèi)比電源，能夠而且應(yīng)該采用分割電源面。但是緊鄰電源層的信號(hào)線(xiàn)不能跨越電源之間的間隙，而所有跨越該間隙的信號(hào)線(xiàn)都必須位于緊鄰大面積地的電路層上。在有些情況下，將類(lèi)比電源以PCB連接線(xiàn)而不是一個(gè)面來(lái)設(shè)計(jì)可以避免電源面的分割問(wèn)題。
混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程要注意以下幾點(diǎn)：
1.將PCB分區(qū)為獨(dú)立的類(lèi)比部份和數(shù)位部份。
2.合適的零組件布局。
3.A/D轉(zhuǎn)換器跨分區(qū)放置。
4.不要對(duì)地進(jìn)行分割。在電路板的類(lèi)比部份和數(shù)位部份下面敷設(shè)統(tǒng)一地。
5.在電路板的所有層中，數(shù)位信號(hào)只能在電路板的數(shù)位部份布線(xiàn)。
6.在電路板的所有層中，類(lèi)比信號(hào)只能在電路板的類(lèi)比部份布線(xiàn)。
7.實(shí)現(xiàn)類(lèi)比和數(shù)位電源分割。
8.布線(xiàn)不能跨越分割電源面之間的間隙。
9.必須跨越分割電源之間間隙的信號(hào)線(xiàn)要位于緊鄰大面積地的布線(xiàn)層上。
10.分析返回地電流實(shí)際流過(guò)的路徑和方式。
11.采用正確的布線(xiàn)規(guī)則。
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