PCB混合信号的分区设计

  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。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过,而忽略了电流的具体路径。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。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,从而使形成的环路面积很小。
  采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者,跨越分割间隙的是光信号;在采用变压器的情况下,跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号:信号从一条线流入从另外一条信号线返回,这种情况下,不需要地作为回流路径。
  要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低),直接位于信号下方的路径,因此返回电流会流过邻近的电路层,而无论这个临近层是电源层还是地线层。
  在实际工作中一般倾向于使用统一地,而将PCB分区为模拟部分和数字部分。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。
  只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时,才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地,真正的原因是数字信号的布线不适当。
  PCB设计采用统一地,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的一些潜在的麻烦。在这种情况下,元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理,数字地电流将限制在电路板的数字部分,不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对,要保证百分之百遵守布线规则。否则,一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板
 最好的办法是开始时就用统一地。将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求,同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。
  如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑,可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线,在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线,确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上,也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且,任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能,然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起,重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果,会发现几乎在所有的情况下,统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。
    在以下三种情况可以用到这种方法:一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低;一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上;另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。
  在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源,能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙,而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下,将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。
  混合信号PCB设计是一个复杂的过程,设计过程要注意以下几点:
  1.将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。 2.合适的元器件布局。 3.A/D转换器跨分区放置。 4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。 5.在电路板的所有层中,数字信号只能在电路板的数字部分布线。 6.在电路板的所有层中,模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。 7.实现模拟和数字电源分割。 8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。 9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。 10.分析返回地电流实际流过的路径和方式。 11.采用正确的布线规则。

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