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PCB技術

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如何實現混合信號PCB的分區設計?
2020-09-22
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Author:Dag      Share


混合信號電路PCB的設計非常複雜。元器件的佈局佈線以及電源和地線的處理將直接影響電路性能和EMC性能。本文介紹的接地和電源分區設計可以優化混合信號電路的性能。

如何減少數字信號和模擬信號之間的相互干擾?設計前必須了解電磁兼容(EMC)的兩個基本原則:一是盡可能減少電流迴路的面積;另一種是系統中只使用一個參考面。相反,如果系統中有兩個參考平面,則可能形成偶極天線(注意:小偶極天線的輻射大小與線路長度、流過的電流和頻率成正比);如果信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。這兩種情況在設計中應盡量避免。

建議混合信號電路板上的數字地和模擬地分開,以實現數字地和模擬地之間的隔離。這種方法雖然可行,但存在許多潛在問題,尤其是在復雜的大規模系統中。關鍵問題是不可能跨越分裂間隙進行佈線。一旦交叉,電磁輻射和信號串擾會迅速增加。PCB設計中常見的問題是信號線跨越分地或電源引起的EMI問題。

我們使用上面的分割方法,信號線穿過兩個地之間的縫隙。信號電流的返迴路徑是什麼?假設兩個分離的接地在某個地方(通常是某個位置的單個點)相連。在這種情況下,地電流將形成一個大迴路。流過大迴路的高頻電流會產生輻射和高地電感。如果流過大迴路的電流是低電平模擬電流,則電流容易受到外部信號的干擾。更糟糕的是,在電源處將分離地連接在一起時,會形成一個非常大的電流迴路。此外,模擬和數字通過長導線連接將形成偶極天線。

印刷電路板

了解電流返回地的路徑和方式是優化混合信號電路板設計的關鍵。許多設計工程師只考慮信號電流流向何處,而忽略了電流的具體路徑。如果必須分割地線層,必須通過隔板之間的縫隙進行佈線,可以在分割的地層之間進行單點連接,形成兩個地層之間的連接橋,然後進行佈線通過連接橋。這樣就可以在每條信號線下提供直流迴路,形成的環路面積很小。

也可以使用光隔離裝置或變壓器來跨越間隙。對於前者,光信號穿過間隙,而在變壓器的情況下,磁場穿過間隙。另一種可能的方法是使用差分信號:信號從一條線路流入並從另一條線路返回,在這種情況下,它們不需要用作返迴路徑。

為了探究數字信號對模擬信號的干擾,首先要了解高頻電流的特性。高頻電流總是選擇信號正下方的阻抗(電感)路徑,因此返回電流將流經相鄰的電路層,無論相鄰層是電源層還是接地層。

在實踐中,PCB通常分為模擬部分和數字部分。模擬信號在電路板各層的模擬區走線,而數字信號在數字電路區走線。在這種情況下,數字信號的返回電流不會流向模擬信號的地。

只有當數字信號接線在電路板的模擬部分或模擬信號接線在電路板的數字部分時,才會出現數字信號對模擬信號的干擾。這個問題不是因為沒有劃分,真正的原因是數字信號佈線不合適。

PCB設計採用統一設計,通過數字電路和模擬電路的劃分和適當的信號佈線,通常可以解決一些較難的佈局佈線問題,同時也不會產生一些接地劃分帶來的潛在麻煩。在這種情況下,組件的佈局和分區成為設計的關鍵。如果佈局合理,數字地電流將被限制在電路板的數字部分,不會干擾模擬信號。此類接線必須仔細檢查和檢查,以確保 100% 符合接線規則。否則,一條信號線佈線不當,會徹底毀掉一塊非常好的電路板。

將a/D轉換器的模擬地和數字地引腳連接在一起時,大多數a/D轉換器製造商會建議將agnd和DGND引腳通過短引線連接到相同的低阻抗地(注意:由於大多數a/D轉換器芯片都不要將模擬地和數字地連接在一起,它們必須通過外部引腳連接)任何連接到 DGND 的外部阻抗都會通過寄生電容將更多的數字噪聲耦合到 IC 內部的模擬電路中。根據這個提議,需要將A/D轉換器的agnd和DGND引腳連接到模擬地。但是,這種方法可能會導致數字信號去耦電容的接地端應接模擬地還是數字地等問題。

如果系統只有一個A/D轉換器,上述問題就可以輕鬆解決。如圖 3 所示,在 A/D 轉換器下,將地分開,模擬和數字部分連接在一起。採用這種方法時,需要保證兩個地之間的連接橋的寬度與IC的寬度相等,並且沒有信號線可以跨越分隔間隙。

如果系統中有很多A/D轉換器,例如10個A/D轉換器如何連接?如果在每個A/D轉換器的底部將模擬地和數字地連接在一起,就會出現多點連接,模擬地和數字地之間的隔離是沒有意義的。如果不按這種方式連接,則違反了製造商的要求。

如果您對混合信號PCB的統一設計有疑問,我們可以採用劃分地層的方法,對整個電路板進行佈局佈線。在設計中,我們應盡量使電路板易於在後面的實驗中用間距小於1 / 2英寸或0歐姆電阻的跳線連接分離的地。注意分區和佈線,確保所有層的模擬部分上面沒有數字信號線或數字部分上面沒有任何模擬信號線。此外,沒有信號線可以跨越接地間隙或劃分電源之間的間隙。測試電路板的功能和EMC性能,然後通過0歐姆電阻或跳線連接兩個地,重新測試電路板的功能和EMC性能。對比測試結果,

這種方法可用於以下三種情況:一些醫療設備要求與患者相連的電路和系統之間的漏電流低;一些工業過程控制設備的輸出可能會連接到高噪聲、大功率的機電設備;另一種情況是PCB的佈局受到限制。

在混合信號PCB中,通常有獨立的數字和模擬電源,可以而且應該採用分體式供電。但是,與電源層相鄰的信號線不能跨越電源之間的間隙,所有跨越間隙的信號線必須位於大面積相鄰的電路層上。在某些情況下,用PCB連接線代替一個表面的模擬電源設計可以避免電源側分割的問題。


混合信號PCB的設計是一個複雜的過程。在設計過程中應注意以下幾點:

1.將PCB分為獨立的模擬部分和數字部分。

2. 組件的正確佈局。

3. A/D 轉換器跨分區放置。

4、不要分地。電路板均勻鋪設在模擬部分和數字部分下方。

5、在電路板的所有層中,數字信號只能佈線在電路板的數字部分。

6、在電路板的所有層中,模擬信號只能在電路板的模擬部分佈線。

7、實現模擬和數字電源分離。

8. 走線不得跨越分體電源面之間的縫隙。

9、必須穿過分體式電源間隙的信號線應位於大面積相鄰的佈線層上。

10、分析實際流路和回流方式。

11. 使用正確的接線規則。