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数字地模拟地到底要怎么铺?

2019-06-19  goandlove

高速PCB 的设计中,数模混合电路的PCB设计中的干扰问题一直是一个难题。尤其模拟电路一般是信号的源头,能否正确接收和转换信号是PCB设计要考虑的重要因素。文章通过分析混合电路干扰产生的机理,结合设计实践,探讨了混合电路一般处理方法,并通过设计实例得到验证。

印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。现在有许多PCB 不再是单一功能电路,而是由数字电路和模拟电路混合构成的。数据一般在模拟电路中采集和接收,而带宽、增益用软件实现控制则必须数字化,所以在一块板上经常同时存在数字电路和模拟电路,甚至共享相同的元件。考虑到它们之间的相互干扰问题以及对电路性能的影响,电路的布局和布线必须要有一定的原则。混合信号PCB 设计中对电源传输线的特殊要求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求,增加了设计时布局和布线的复杂度。在此,通过分析高密度混合信号PCB 的布局和布线设计,来达到要求的PCB 设计目标。

数模混合电路干扰的产生机理

模拟信号与数字信号相比,对噪声的敏感程度要大得多,因为模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压,任何微小的干扰都能影响它的正常工作,而数字电路的工作依赖在接收端根据预先定义的电压电平或门限对高电平或低电平的检测,具有一定的抗干扰能力。但在混合信号环境中,数字信号相对模拟信号而言是一种噪声源。数字电路工作时,稳定的有效电压只有高低电平两种电压。当数字逻辑输出由高电压变为低电压,该器件的接地管脚就会放电,产生开关电流,这就是电路的开关动作。数字电路的速度越快,其开关时间一般也要求越短,当大量的开关电路同时由逻辑高电平变为逻辑低电平时,由于地线通过电流的能力不够,大量的开关电流就会引起逻辑地电压发生波动,我们称为地弹。如图1 所示。数字电路造成的地弹噪声和电源扰动,如果耦合到模拟电路中,就会影响模拟电路的工作性能。由于相当多的干扰源是通过电源和地总线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大,所以在PCB 设计时对地和电源的设计就显得尤为重要。

图1 地弹噪声

数模混合电路PCB 设计的一般处理原则

上面讲了混合电路干扰的产生机理,那么如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?在设计之前必须了解电磁兼容(E M C )的两个基本原则:第一个原则是尽可能减小电流环路的面积,如果信号不能通过尽可能小的环路返回,就可能形成一个大的环状天线。第二个原则是系统只采用一个参考面,相反,如果系统存在两个参考面,就可能形成一个偶极天线。在设计中要尽可能避免这两种情况。

(1 )布局布线原则。元器件布局首先要考虑的一个因素就是将模拟电路部分与数字电路部分器件分开放置,模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线,而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下,数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。对于一些频率高有特殊要求的线最好手工布线,必要时走差分线或屏蔽线。有时由于输入/ 输出连接器位置的缘故,必须把数字和模拟电路的布线混合在一起,这样就很有可能造成模拟部分和数字部分电路的相互影响。这就要避免在邻近模拟电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线,否则,电源信号的噪声将耦合到敏感的模拟信号之中。要设法实现低阻抗的电源和地网络,应尽量减小数字电路导线的感抗,尽量降低模拟电路的电容耦合。数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对信号线来说,高频的数字信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。

(2 )电源和地的处理。在复杂混合电路板的设计中,接地线的布局和处理是改善电路性能的重要因素。有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开,以实现数字地和模拟地之间的隔离。但这种方法往往会跨越分割间隙布线,这样会引起电磁辐射和信号串扰急剧增加。

了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。如果必须对地线层进行分割,而且必须通过分割之间的间隙布线,可以先在被分割的地之间进行单点连接,形成两个地之间的连接桥,然后通过该连接桥布线,如图2 所示。

图2 桥接法的地平面分割示意图

这样,在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径,或者采用光隔离器件、变压器等也能实现信号跨越分割间隙。但实际工作中PCB设计倾向于采用统一地,通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线,通常可以解决一些比较困难的布局布线问题,同时也不会产生因地分割带来一些潜在的麻烦。通过比较电路板测试结果,也会发现统一地的方案在功能和EMC 性能方面比分割地更优越。

在混合信号PCB 板上通常有独立的数字和模拟电源,应该采用分割电源面,最好紧邻地平面且在地平面下。电源平面可能向空间可附件的电路耦合射频电流,为了减小这种耦合效应,要求电源平面物理上都比其相邻的地平面小20H(H 指电源和地平面层的距离)。

(3 )对于混合器件的处理。通常的混合器件有晶振,高速A D 器件等,在器件内部同时有数字电路和模拟电路两部分。一般将AGND 和DGND 引脚在外部都要连接到同一低阻抗的模拟地平面,而且引线要求尽量短,任何DGND 额外的阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到器件内部的模拟电路中。当然这样做会使得转换器内部的数字电流流入模拟接地平面,但这样要比把转换器件的DGND 脚接到噪声数字接地平面带来的干扰要小得多。同接地一样,模拟和数字电源引脚也应该连接到模拟电源平面,并且要尽可能靠近每个电源引脚连接适当的旁路电容。必要情况下应将模拟电源引脚与数字电源引脚用跨接电感的方式隔离。

(4 )添加去耦电容。去耦电容可以消除高频干扰,由于电容器的容抗与频率成反比,因此将电容并联在信号与地线之间就起到对高频噪声的旁路作用。原则上将每个集成芯片都加上一个0.01mF~ 0.1mF 的陶瓷片电容,不仅能使芯片存储能量,提供和吸收该芯片的电路开门和关门瞬间的充放电能,还能旁路过滤掉该器件的高频噪声成分。在电源输入端加上一个10mF~100MF 的电解电容(最好是钽电容),可以抑制电源的噪声干扰,当然加入的电容引线不能太长,因为电容的引线长度是一个十分重要的参数,引线越长,则感应电感越大,电容的谐振频率就越低,对高频噪声

的频率过滤作用就会减弱,甚至消失,因此在高速PCB 板设计时,要特别注意使电容器的引线尽量短,也就是使得电容尽可能地靠近芯片。

(5 )大面积覆铜箔接模拟地。在模拟电路部分覆大面积铜箔并在空白区域钻密集的孔接到模拟地,这样可以起到屏蔽隔离作用,从而减少模拟信号之间的相互干扰,而且还可以起到散热作用。如图3 所示。

图3 铜箔钻孔接模拟地

(6 )电源线和地线要尽量短粗,尤其是跨接数字电源和模拟电源的磁珠上的线一定要加粗,因为除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。

混合电路的PCB 设计实例

图4 是一块设计好的有32 通道数字接收和转换的典型的数模混合电路的20 层电路板。最高频率是高速光纤信号达到2.5GHz.

图4 混合电路板部分布局布线图 

此印制板布局上将模拟电路与数字电路分开,且每路通道之间也完全独立有一定间隔距离以保证每个通道模拟信号之间不会相互干扰。模拟电路尽量靠近电路板边缘放置,数字电路尽量靠近电源连接端放置,这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。

在电源和地的划分上,此印制板模拟信号都走在表面层,而且尽可能走的短、少钻孔。紧邻模拟信号的第二层和第十九层都是完整的统一的模拟地平面,这样保证模拟信号有最佳的回流路径和阻抗,也不会出现跨分割地出现E M I 问题。高速信号层紧邻地平面层,重要信号线走带状线,并且对于时钟、复位敏感信号线走第三层,在两地平面之间。数字电源和模拟电源都有独立的层面,都进行了分割,但每个电源层也都紧邻地平面层。

高速的A/D 混合器件在板上即器件外接的地引脚都接模拟地,电源引脚都接模拟电源,并且在电源引脚旁边都添加去耦电容来消除高频干扰,如图5 所示。跨接电源或地的磁珠电感上的线要加粗,最好多连几根信号线钻孔接到电源或地平面,这样可以减小了压降,降低了噪声,如图6 所示。

图6 磁珠布线图

有时采用钻大的过孔接到平面也可以达到要求。

高频信号线经过严格控制线宽和线间距,使其达到阻抗要求,都采用手工布线,最后在模拟电路部分覆大面积铜箔空白区域钻密集的孔以接到模拟地。

此印制板上100M 的时钟信号线经过设计软件仿真分析,如图7 所示,信号传输基本没有受到干扰,达到电讯要求。生产的印制板经过调试显示,数字信号对模拟信号的干扰很小,参数指标良好。

图7 仿真波形图

混合电路PCB 设计是一个复杂的过程,元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能,设计时要遵循一定的布线规则,才能使设计的PCB 板达到设计要求。

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