01.設(shè)計理想的參考面

由于PCB的導(dǎo)線存在電阻、電感和電容，所以在進行PCB設(shè)計時，設(shè)計一個純凈的、無阻抗的(理想的)地線和電源線是十分重要的。在模數(shù)混合電路設(shè)計中采用參考面是替代導(dǎo)線的最好設(shè)計。

02.模擬地和數(shù)字地分割

分割是指利用物理上的分割來減少不同類型線之間的耦合，尤其是通過電源線和地線的耦合。在模數(shù)混合電路中，如何降低數(shù)字信號和模擬信號的相互干擾是必須考慮的問題。在設(shè)計之前，必須了解PCB電磁兼容性的兩個基本原則：一是盡可能減小電流回路的面積；二是系統(tǒng)盡量只采用一個參考面。

由前面的介紹已知，假如信號不能由盡可能小的環(huán)路返回，則有可能形成一個大的環(huán)狀天線；如果系統(tǒng)存在兩個參考面，就會形成一個偶極天線。因此，在設(shè)計中要盡可能避免這兩種情況。避免這兩種情況的有效方法是將混合信號電路板上的數(shù)字地和模擬地分開，形成隔離。但是這種方法一旦跨越分割間隙(“壕”)布線，就會急劇增加電磁輻射和信號串?dāng)_，如圖1所示。在PCB設(shè)計中，若信號線跨越分割參考面，就會產(chǎn)生EMI問題。

圖1布線跨越模擬地和數(shù)字地之間的間隙

在混合信號PCB的設(shè)計中，不僅對電源和“地”有特別要求，而且要求模擬噪聲和數(shù)字電路噪聲相互隔離以避免噪聲耦合。對電源分配系統(tǒng)的特殊需求，以及隔離模擬和數(shù)字電路之間噪聲耦合的要求，使得混合信號PCB的布局和布線具有一定的復(fù)雜性。

通常情況下，分割的兩個地會在PCB的某處連在一起(即在PCB的某個位置單點連接)，電流將形成一個大的環(huán)路。對高速數(shù)字信號電流而言，流經(jīng)大環(huán)路時，會產(chǎn)生RF輻射和呈現(xiàn)一個很高的地電感；對模擬小信號電流而言，則很容易受到其他高速數(shù)字信號的干擾。另外，模擬地和數(shù)字地由一個長導(dǎo)線連接在一起會形成一個偶極天線。

對設(shè)計者來說，不能僅僅考慮信號電流從何處流過，而忽略了電流的返回路徑。了解電流回流到“地”的路徑和方式是最佳化混合信號電路板設(shè)計的關(guān)鍵。

在進行混合信號PCB的設(shè)計時，如果必須對接地平面進行分割，而且必須由分割之間的間隙布線，則可以先在被分割的地之間進行單點連接，形成兩個地之間的連接“橋”，然后經(jīng)由該連接“橋”布線，如圖2所示。這樣，在每一個信號線的下方都能夠提供一個直接的電流返回路徑，從而可以使形成的環(huán)路面積很小。

圖2

對于采用光隔離元件或變壓器實現(xiàn)信號跨越分割間隙的設(shè)計，以及采用差分對的設(shè)計(信號從一條線流入，從另一條線返回)，可以不考慮返回路徑。

03.采用“統(tǒng)一地平面”形式

在ADC或DAC電路中，需要將ADC或DAC的模擬地和數(shù)字地引腳連接在一起時，一般的建議是：將AGND和DGND引腳以最短的引線連接到同一個低阻抗的地平面上。

如果一個數(shù)字系統(tǒng)使用一個ADC，如圖3所示，則可以將“地平面”分割開，在ADC芯片的下面把模擬地和數(shù)字地部分連接在一起。但是要求必須保證兩個地之間的連接橋?qū)挾扰cIC等寬，并且任何信號線都不能跨越分割間隙。

圖3

如果一個數(shù)字系統(tǒng)中有多個ADC，在每一個ADC的下面都將模擬地和數(shù)字地連接在一起，則會產(chǎn)生多點相連，模擬地和數(shù)字地的“地平面”分割也就沒有意義了。對于這種情況，可以使用一個“統(tǒng)一的地平面”。如圖4所示，將統(tǒng)一的地平面分為模擬部分和數(shù)字部分，這樣的布局、布線既滿足對模擬地和數(shù)字地引腳低阻抗連接的要求，同時又不會形成環(huán)路天線或偶極天線所產(chǎn)生的EMC問題。最好的方法是開始設(shè)計時就用統(tǒng)一地。

圖4采用“統(tǒng)一的地平面”

因為大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器晶片內(nèi)部沒有將模擬地和數(shù)字地連接在一起，必須由外部引腳實現(xiàn)模擬地和數(shù)字地的連接，所以任何與DGND連接的外部阻抗都會由寄生電容將更多的數(shù)位噪聲耦合到IC內(nèi)部的模擬電路上。而使用一個“統(tǒng)一的地平面”，需要將A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND引腳都連接到模擬地上，但這種方法會產(chǎn)生如數(shù)字信號去耦電容的接地端應(yīng)該接到數(shù)字地還是模擬地的問題。

04.數(shù)字和模擬電源平面的分割

在模數(shù)混合電路中，通常采用獨立的數(shù)字電源和模擬電源分別供電。在模數(shù)混合信號的PCB上多采用分割的電源平面。應(yīng)注意的是緊鄰電源層的信號線不能跨越電源之間的間隙，而只有在緊鄰大面積“地”的信號層上的信號線才能跨越該間隙。可以將模擬電源以PCB走線或填充的形式而不是一個電源平面來設(shè)計，這樣就可以避免電源平面的分割問題了。

在PCB布局過程中的一個重要步驟就是確保各個元件的電源平面(和地平面)可以進行有效分組，并且不會與其他的電路發(fā)生重疊，如果使用多個獨立的電源并且這些電源有著自己的參考層，則不要讓這些層之間不相關(guān)的部分發(fā)生重疊。這是因為兩層被電介質(zhì)隔開的導(dǎo)體表面會形成一個電容。如圖5所示，當(dāng)模擬電源層的一部分與數(shù)字地層的一部分發(fā)生重疊時，兩層發(fā)生重疊的部分就形成了一個小電容。事實上這個電容可能會非常小。不管怎樣，任何電容都能為噪聲提供從一個電源到另一個電源的通路，從而使隔離失去意義。

圖5層的重疊部分會形成一個電容

05.最小化電源線和地線的環(huán)路面積

最小化環(huán)路面積的規(guī)則是電源線和信號線與其回路構(gòu)成的環(huán)路面積要盡可能小，實際上就是為了盡量減小信號的回路面積。在一個模數(shù)混合電路中，如圖6所示，地的返回環(huán)境可能是非常復(fù)雜的。

圖6模數(shù)混合電路復(fù)雜的地的返回環(huán)境

保持電源線和信號線和它的地返回線緊靠在一起將有助于最小化地環(huán)路面積，以避免潛在的天線環(huán)。地環(huán)路面積越小，對外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。根據(jù)這一規(guī)則，在對地平面(接地平面)進行分割時，要考慮到地平面與重要信號走線的分布，防止由于地平面開槽等帶來的問題；在雙層板設(shè)計中，在為電源留下足夠空間的情況下，應(yīng)該將留下的部分用參考地(接地平面)填充，并且增加一些必要的過孔，將雙面信號有效連接起來。對于一些關(guān)鍵信號，應(yīng)盡量采用地線隔離；對于一些頻率較高的設(shè)計，則需特別考慮其地平面信號回路的問題，建議采用多層板。

在信號導(dǎo)線下必須有固定的返回路徑(即固定地平面)以保持電流密度的均勻性。如圖7所示，返回電流是直接在信號導(dǎo)線下面流通，這將具有最小通道阻抗。

圖7在信號導(dǎo)線下有固定的返回路徑

06.模數(shù)混合電路的電源和接地布局示例

對于模數(shù)混合電路來說，電源和接地的PCB布局是很重要的。模數(shù)混合電路電源和接地PCB設(shè)計的一般原則如下：

(1)PCB分區(qū)為獨立的模擬電路和數(shù)字電路部分，并采用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">元器件布局。

(2)跨分區(qū)放置ADC或DAC。

(3)不要對“地平面”進行分割，在PCB的模擬電路部分和數(shù)字電路部分下面設(shè)統(tǒng)一的地平面。

(4)采用正確的布線規(guī)則：在電路板的所有層中，數(shù)字信號只能在PCB的數(shù)字部分布線，模擬信號只能在電路板的模擬部分布線。

(5)模擬電源和數(shù)字電源分割，布線不能跨越分割電源面的間隙，必須跨越分割電源間隙的信號線要位于緊鄰大面積地平面的信號層上。

(6)分析返回電流實際流過的路徑和方式。

審核編輯：湯梓紅