電路設(shè)計(jì)中數(shù)字地、模擬地到底要怎么鋪線？

數(shù)字地、模擬地互相會(huì)影響不是因?yàn)橐粋€(gè)叫數(shù)字，一個(gè)叫模擬，而是用了同一部電梯：地，而這部電梯所用的井道就是在PCB上布得地線。

在高速PCB 的設(shè)計(jì)中，數(shù)?；旌想娐返腜CB設(shè)計(jì)中的干擾問(wèn)題一直是一個(gè)難題。尤其模擬電路一般是信號(hào)的源頭，能否正確接收和轉(zhuǎn)換信號(hào)是PCB設(shè)計(jì)要考慮的重要因素。文章通過(guò)分析混合電路干擾產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐，探討了混合電路一般處理方法，并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例得到驗(yàn)證。

印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接?，F(xiàn)在有許多PCB 不再是單一功能電路，而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。數(shù)據(jù)一般在模擬電路中采集和接收，而帶寬、增益用軟件實(shí)現(xiàn)控制則必須數(shù)字化，所以在一塊板上經(jīng)常同時(shí)存在數(shù)字電路和模擬電路，甚至共享相同的元件。

考慮到它們之間的相互干擾問(wèn)題以及對(duì)電路性能的影響，電路的布局和布線必須要有一定的原則。混合信號(hào)PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)電源傳輸線的特殊要求以及隔離模擬和數(shù)字電路之間噪聲耦合的要求，增加了設(shè)計(jì)時(shí)布局和布線的復(fù)雜度。在此，通過(guò)分析高密度混合信號(hào)PCB 的布局和布線設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到要求的PCB 設(shè)計(jì)目標(biāo)。

數(shù)?；旌想娐犯蓴_的產(chǎn)生機(jī)理

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相比，對(duì)噪聲的敏感程度要大得多，因?yàn)槟M電路的工作依賴(lài)連續(xù)變化的電流和電壓，任何微小的干擾都能影響它的正常工作，而數(shù)字電路的工作依賴(lài)在接收端根據(jù)預(yù)先定義的電壓電平或門(mén)限對(duì)高電平或低電平的檢測(cè)，具有一定的抗干擾能力。

但在混合信號(hào)環(huán)境中，數(shù)字信號(hào)相對(duì)模擬信號(hào)而言是一種噪聲源。數(shù)字電路工作時(shí)，穩(wěn)定的有效電壓只有高低電平兩種電壓。當(dāng)數(shù)字邏輯輸出由高電壓變?yōu)榈碗妷?，該器件的接地管腳就會(huì)放電，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電流，這就是電路的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

數(shù)字電路的速度越快，其開(kāi)關(guān)時(shí)間一般也要求越短，當(dāng)大量的開(kāi)關(guān)電路同時(shí)由邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖綍r(shí)，由于地線通過(guò)電流的能力不夠，大量的開(kāi)關(guān)電流就會(huì)引起邏輯地電壓發(fā)生波動(dòng)，我們稱(chēng)為地彈。如圖1 所示。數(shù)字電路造成的地彈噪聲和電源擾動(dòng)，如果耦合到模擬電路中，就會(huì)影響模擬電路的工作性能。由于相當(dāng)多的干擾源是通過(guò)電源和地總線產(chǎn)生的，其中地線引起的噪聲干擾最大，所以在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地和電源的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

圖1 地彈噪聲

數(shù)?；旌想娐稰CB 設(shè)計(jì)的一般處理原則

上面講了混合電路干擾的產(chǎn)生機(jī)理，那么如何降低數(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(E M C )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，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。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。在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這兩種情況。

(1 )布局布線原則。元器件布局首先要考慮的一個(gè)因素就是將模擬電路部分與數(shù)字電路部分器件分開(kāi)放置，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。對(duì)于一些頻率高有特殊要求的線最好手工布線，必要時(shí)走差分線或屏蔽線。有時(shí)由于輸入/ 輸出連接器位置的緣故，必須把數(shù)字和模擬電路的布線混合在一起，這樣就很有可能造成模擬部分和數(shù)字部分電路的相互影響。這就要避免在鄰近模擬電源層的地方走數(shù)字時(shí)鐘線和高頻模擬信號(hào)線，否則，電源信號(hào)的噪聲將耦合到敏感的模擬信號(hào)之中。要設(shè)法實(shí)現(xiàn)低阻抗的電源和地網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)盡量減小數(shù)字電路導(dǎo)線的感抗，盡量降低模擬電路的電容耦合。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對(duì)信號(hào)線來(lái)說(shuō)，高頻的數(shù)字信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件。

(2 )電源和地的處理。在復(fù)雜混合電路板的設(shè)計(jì)中，接地線的布局和處理是改善電路性能的重要因素。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)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬地之間的隔離。但這種方法往往會(huì)跨越分割間隙布線，這樣會(huì)引起電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_急劇增加。

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。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，如圖2 所示。

圖2 橋接法的地平面分割示意圖

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，或者采用光隔離器件、變壓器等也能實(shí)現(xiàn)信號(hào)跨越分割間隙。但實(shí)際工作中PCB設(shè)計(jì)傾向于采用統(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)一些潛在的麻煩。通過(guò)比較電路板測(cè)試結(jié)果，也會(huì)發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一地的方案在功能和EMC 性能方面比分割地更優(yōu)越。

在混合信號(hào)PCB 板上通常有獨(dú)立的數(shù)字和模擬電源，應(yīng)該采用分割電源面，最好緊鄰地平面且在地平面下。電源平面可能向空間可附件的電路耦合射頻電流，為了減小這種耦合效應(yīng)，要求電源平面物理上都比其相鄰的地平面小20H(H 指電源和地平面層的距離)。

(3 )對(duì)于混合器件的處理。通常的混合器件有晶振，高速A D 器件等，在器件內(nèi)部同時(shí)有數(shù)字電路和模擬電路兩部分。一般將AGND 和DGND 引腳在外部都要連接到同一低阻抗的模擬地平面，而且引線要求盡量短，任何DGND 額外的阻抗都會(huì)通過(guò)寄生電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到器件內(nèi)部的模擬電路中。當(dāng)然這樣做會(huì)使得轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的數(shù)字電流流入模擬接地平面，但這樣要比把轉(zhuǎn)換器件的DGND 腳接到噪聲數(shù)字接地平面帶來(lái)的干擾要小得多。同接地一樣，模擬和數(shù)字電源引腳也應(yīng)該連接到模擬電源平面，并且要盡可能靠近每個(gè)電源引腳連接適當(dāng)?shù)呐月冯娙?。必要情況下應(yīng)將模擬電源引腳與數(shù)字電源引腳用跨接電感的方式隔離。

混合電路PCB 設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，元器件的布局、布線以及電源和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能，設(shè)計(jì)時(shí)要遵循一定的布線規(guī)則，才能使設(shè)計(jì)的PCB 板達(dá)到設(shè)計(jì)要求。