混合信号PCB的分区设计(一) ZZ

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混合信号PCB的分区设计(一)  混合信号电路PCB的设计很难，零件的布局、布线以及电源和地线的处理将影响到电路性能和电磁相容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能最佳化混合信号电路的性能。
<>　　如何降低数字信号和模拟信号的相互干扰呢？在设计之前必须了解电磁相容(EMC)的两个基本原则：第一个原则是尽可能降低电流回路的面积；第二个原则是系统只采取一个参考面。相反如果系统存在两个参考面，就有可能形成一个偶极天线（注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度，流过电流的大小的频率成正比）；而如果信号不能由尽可能小的环路返回，就有可能形成一个大的环状天线（注：大型环状天线的辐射大小与环路面积，流过环路的电流大小及频率的平方成正比）。在设计中要尽可能避免这两种情况。</P>


<>　　有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分开，这样能实现数字地与模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大系统中问题尤其突出。一旦跨越分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。</P>
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<>　　如图1所示，我们采用上述分割方法，而且信号线跨越了两地间的间隙，信号返回的路径是什么呢？假定被分割的两个地在某处连在一起（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地电感，如果流过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。最糟糕的是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，模拟地和数字地由一个长导线连接在一起会构成偶极天线。了解电流回流到地的路径和方式是最佳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流从何处流过，而忽略了电流的具体的路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须由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，然后由该连接桥布线。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。</P>
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<>　　采用光隔离元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。还有一种可行的方法是采用差分信号：信号从一条线流入从另一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。</P>
<>　　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，而无论这个邻近层是电源层还是地线层。
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<>　　在实际工作中一般使用统一地，而将PCB分区为模拟信号部分和数字信号部分。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方。只有将数字信号布在电路板的模拟信号部分或者将模拟信号布线在数字信号部分上时，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。</P>
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<>　　PCB设计采用统一地，由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，零件的布局的分区就成为决定设计优劣的关键。如果零件布局布线合理，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破坏一个设计优良的电路板。</P>