PCB布線技術(shù)舉例

混合信號電路PCB的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，元器件的布局、布線以及電源線和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能。本文將介紹數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)設(shè)計(jì)，以優(yōu)化混合信號電路的性能。

在PCB板中，降低數(shù)字信號和模擬信號間的相互干擾，在設(shè)計(jì)之前必須了解電磁兼容（EMC）的兩個(gè)基本原則：

· 盡可能減小電流環(huán)路的面積；

· 系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面。

如果系統(tǒng)中存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線。如果信號不能通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線，在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這種情況。

將混合信號電路板上的數(shù)字地和模擬地分割開，這樣能實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬地之間的隔離。盡管這種方法是可行的，但是這種方法也存在著很多潛在的問題，在復(fù)雜的大型系統(tǒng)中問題尤其突出，最關(guān)鍵的問題是不能跨越分割間隙布線，一旦跨越了分割間隙布線，電磁輻射和信號串?dāng)_都會(huì)急劇增加。在PCB設(shè)計(jì)中最常見的問題就是信號線跨越分割地或電源線而產(chǎn)生EMI問題。

1．分割方式1

如果采用如圖1所示的分割方式1，信號線跨越了兩個(gè)地之間的間隙，那么信號電流的返回路徑是什么昵？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)生輻射和很高的電感。

圖1 分割方式1

如果流過大環(huán)路的是低電平模擬電流，該電流很容易受到外部信號干擾。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，模擬地和數(shù)字地通過一個(gè)長導(dǎo)線連接在ˉ起會(huì)構(gòu)成偶極天線。

了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。許多設(shè)計(jì)僅僅考慮信號電流從哪兒流過，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線層進(jìn)行分割，且必須通過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，然后通過該連接橋布線。這樣，在每一個(gè)信號線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。

采用光隔離器件或變壓器也能實(shí)現(xiàn)信號跨越分割間隙。對于前者，跨越分割間隙的是光信號；對于后者，跨越分割間隙的是磁場。還有一種可行的辦法是采用差分信號：信號從一條線流入，從另外一條信號線返回，這種情況下，不需要把地作為回流路徑。

2．分割方式2

在實(shí)際工作中一般使用統(tǒng)一地，而將PCB分區(qū)為模擬部分和數(shù)字部分，圖2所示為分

割方式2。模擬信號在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線，而數(shù)字信號在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線。在這種情況下，數(shù)字信號返回電流不會(huì)流入到模擬信號的地。

圖2 分割方式2

只有將數(shù)字信號布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線在電路板的數(shù)字部分之上時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)數(shù)字信號對模擬信號的干擾。出現(xiàn)這種問題并不是因?yàn)闆]有分割地，真正的原因是數(shù)字信號的布線不適當(dāng)。

PCB板設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一地，通過數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)以及合適的信號布線，通?？梢越鉀Q一些比較復(fù)雜的布局布線問題，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生因地分割帶來的一些潛在的麻煩。在這種情況下，元器件的布局和分區(qū)就成為決定設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。

如果布局布線合理，數(shù)字地電流將被限制在電路板的數(shù)字部分，不會(huì)干擾模擬信號。對于這樣的布線必須仔細(xì)地檢查和核對，要保證遵守布線規(guī)則，否則，一條信號線走線不當(dāng)就會(huì)徹底破壞一個(gè)電路板的設(shè)計(jì)。

3．A/D分區(qū)

在將A／D轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字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管腳通過最短的引線連接到同一個(gè)低阻抗的地上，因?yàn)榇蠖鄶?shù)A／D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部沒有將模擬地和數(shù)字地連接在一起，必須通過外部管腳實(shí)現(xiàn)模擬地和數(shù)字地的連接，任何與DGND連接的外部阻抗都會(huì)通過寄生電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到IC內(nèi)部的模擬電路上。按照這個(gè)建議，需要把A／D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND管腳都連接到模擬地上。

如果系統(tǒng)僅有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，上面的問題就很容易解決。如圖3所示，將地分割開，在A／D轉(zhuǎn)換器下面把模擬地和數(shù)字地部分連接在一起。

圖3 一個(gè)A／D的分區(qū)

如果系統(tǒng)中A／D轉(zhuǎn)換器較多時(shí)，如果在每一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器的下面都將模擬地和數(shù)字地連接在一起，則產(chǎn)生多點(diǎn)相連，模擬地和數(shù)字地之間的隔離就毫無意義，而如果不這樣連接，就違反了廠商的要求。

最好的辦法是開始時(shí)就用統(tǒng)一地，如圖4所示，將統(tǒng)一地分為模擬部分和數(shù)字部分。

這樣的布局布線既滿足了IC器件廠商對模擬地和數(shù)字地管腳低阻抗連接的要求，同時(shí)又不會(huì)形成環(huán)路天線或偶極天線。

圖4 多個(gè)A／D的分區(qū)