PCB数模分区设计布线实例分析

  
  将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开,这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法是可行的,但是这种方法也存在着很多潜在的问题,在复杂的大型系统中问题尤其突出,最关键的问题是不能跨越分割间隙布线,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源线而产生EMI问题。
  1.分割方式1
  如果采用如图1所示的分割方式1,信号线跨越了两个地之间的间隙,那么信号电流的返回路径是什么昵?假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接),在这种情况下,地电流将会形成一个大的环路,流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的电感。
  
  图1 分割方式1
  如果流过大环路的是低电平模拟电流,该电流很容易受到外部信号干扰。当把分割地在电源处连接在一起时,将形成一个非常大的电流环路。另外,模拟地和数字地通过一个长导线连接在ˉ起会构成偶极天线。
  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,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;对于后者,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,不需要把地作为回流路径。
  2.分割方式2
  在实际工作中一般使用统一地,而将PCB分区为模拟部分和数字部分,图2所示为分
  割方式2。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。
  
  图2 分割方式2
  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板设计采用统一地,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复杂的布局布线问题,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,数字地电流将被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电路板的设计。
  3.A/D分区
  在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时,大多数的A/D转换器厂商会建议将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上,因为大多数A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起,必须通过外部管脚实现模拟地和数字地的连接,任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路上。按照这个建议,需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地上。
  如果系统仅有一个A/D转换器,上面的问题就很容易解决。如图3所示,将地分割开,在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。
  
  图3 一个A/D的分区
  如果系统中A/D转换器较多时,如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起,则产生多点相连,模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义,而如果不这样连接,就违反了厂商的要求。
  最好的办法是开始时就用统一地,如图4所示,将统一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。
  
  图4 多个A/D的分区
 

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