數(shù)?；旌想娐返腜CB設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】數(shù)?；旌想娐返腜CB設(shè)計(jì)摘要高速PCB的設(shè)計(jì)中，數(shù)?；旌想娐返腜CB設(shè)計(jì)中的干擾問(wèn)題一直是一個(gè)難題。尤其模擬電路一般是信號(hào)的源頭，能否正確接收和轉(zhuǎn)換信號(hào)是PCB設(shè)計(jì)要考慮的重要因素。文章通過(guò)分析混合電路干擾產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐，探討了混合電路一般處理方法，并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例得到驗(yàn)證。

0前言

印制電路板（PCB）是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接?，F(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路，而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。數(shù)據(jù)一般在模擬電路中采集和接收，而帶寬、增益用軟件實(shí)現(xiàn)控制則必須數(shù)字化，所以在一塊板上經(jīng)常同時(shí)存在數(shù)字電路和模擬電路，甚至共享相同的元件?？紤]到它們之間的相互干擾問(wèn)題以及對(duì)電路性能的影響，電路的布局和布線(xiàn)必須要有一定的原則?；旌闲盘?hào)PCB設(shè)計(jì)中對(duì)電源傳輸線(xiàn)的特殊要求以及隔離模擬和數(shù)字電路之間噪聲耦合的要求，增加了設(shè)計(jì)時(shí)布局和布線(xiàn)的復(fù)雜度。在此，通過(guò)分析***度混合信號(hào)PCB的布局和布線(xiàn)設(shè)計(jì)，來(lái)到達(dá)要求的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1數(shù)?；旌想娐犯蓴_的產(chǎn)生機(jī)理

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相比，對(duì)噪聲的敏感程度要大得多，因?yàn)槟M電路的工作依賴(lài)連續(xù)變化的電流和電壓，任何微小的干擾都能影響它的正常工作，而數(shù)字電路的工作依賴(lài)在接收端根據(jù)預(yù)先定義的電壓電平或門(mén)限對(duì)高電平或低電平的檢測(cè)，具有一定的抗干擾能力。但在混合信號(hào)環(huán)境中，數(shù)字信號(hào)相對(duì)模擬信號(hào)而言是一種噪聲源。數(shù)字電路工作時(shí)，穩(wěn)定的有效電壓只有高低電平兩種電壓。當(dāng)數(shù)字邏輯輸出由高電壓變?yōu)榈碗妷?，該器件的接地管腳就會(huì)放電，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電流，這就是電路的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。數(shù)字電路的速度越快，其開(kāi)關(guān)時(shí)間一般也要求越短，當(dāng)大量的開(kāi)關(guān)電路同時(shí)由邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖綍r(shí)，由于地線(xiàn)通過(guò)電流的能力不夠，大量的開(kāi)關(guān)電流就會(huì)引起邏輯地電壓發(fā)生波動(dòng)，我們稱(chēng)為地彈。如圖1所示。數(shù)字電路造成的地彈噪聲和電源擾動(dòng)，如果耦合到模擬電路中，就會(huì)影響模擬電路的工作性能。由于相當(dāng)多的干擾源是通過(guò)電源和地總線(xiàn)產(chǎn)生的，其中地線(xiàn)引起的噪聲干擾，所以在PCB設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地和電源的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2數(shù)?；旌想娐稰CB設(shè)計(jì)的一般處理原則

上面講了混合電路干擾的產(chǎn)生機(jī)理，那么如何降低數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)間的相互干擾呢？在設(shè)計(jì)之前必須了解電磁兼容（EMC）的兩個(gè)基本原則：個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積，如果信號(hào)不能通過(guò)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(xiàn)。第二個(gè)原則是系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面，相反，如果系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線(xiàn)。在設(shè)計(jì)中要盡可能防止這兩種情況。

（1）布局布線(xiàn)原則。元器件布局首先要考慮的一個(gè)因素就是將模擬電路部分與數(shù)字電路部分器件分開(kāi)放置，模擬信號(hào)在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線(xiàn)，而數(shù)字信號(hào)在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線(xiàn)。在這種情況下，數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流入到模擬信號(hào)的地。對(duì)于一些頻率高有特殊要求的線(xiàn)手工布線(xiàn)，必要時(shí)走差分線(xiàn)或屏蔽線(xiàn)。有時(shí)由于輸入/輸出連接器位置的緣故，必須把數(shù)字和模擬電路的布線(xiàn)混合在一起，這樣就很有可能造成模擬部分和數(shù)字部分電路的相互影響。這就要防止在鄰近模擬電源層的地方走數(shù)字時(shí)鐘線(xiàn)和高頻模擬信號(hào)線(xiàn)，否則，電源信號(hào)的噪聲將耦合到敏感的模擬信號(hào)之中。要設(shè)法實(shí)現(xiàn)低阻抗的電源和地網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)盡量減小數(shù)字電路導(dǎo)線(xiàn)的感抗，盡量降低模擬電路的電容耦合。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對(duì)信號(hào)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，高頻的數(shù)字信號(hào)線(xiàn)盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件。

（2）電源和地的處理。在復(fù)雜混合電路板的設(shè)計(jì)中，接地線(xiàn)的布局和處理是改善電路性能的重要因素。有人建議將混合信號(hào)電路板上的數(shù)字地和模擬地分割開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬地之間的隔離。但這種方法往往會(huì)跨越分割間隙布線(xiàn)，這樣會(huì)引起電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_急劇增加。

了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號(hào)電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如果必須對(duì)地線(xiàn)層開(kāi)展分割，而且必須通過(guò)分割之間的間隙布線(xiàn)，可以先在被分割的地之間開(kāi)展單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地之間的連接橋，然后通過(guò)該連接橋布線(xiàn)，如圖2所示。

這樣，在每一個(gè)信號(hào)線(xiàn)的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流回流路徑，或者采用光隔離器件、變壓器等也能實(shí)現(xiàn)信號(hào)跨越分割間隙。但實(shí)際工作中PCB設(shè)計(jì)傾向于采用統(tǒng)一地，通過(guò)數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)以及合適的信號(hào)布線(xiàn)，通?？梢越鉀Q一些比較困難的布局布線(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生因地分割帶來(lái)一些潛在的麻煩。通過(guò)比較電路板測(cè)試結(jié)果，也會(huì)發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更優(yōu)越。

在混合信號(hào)PCB板上通常有獨(dú)立的數(shù)字和模擬電源，應(yīng)該采用分割電源面，緊鄰地平面且在地平面下。電源平面可能向空間可附件的電路耦合射頻電流，為了減小這種耦合效應(yīng)，要求電源平面物理上都比其相鄰的地平面小20H（H指電源和地平面層的距離）。

（3）對(duì)于混合器件的處理。通常的混合器件有晶振，高速AD器件等，在器件內(nèi)部同時(shí)有數(shù)字電路和模擬電路兩部分。一般將AGND和DGND引腳在外部都要連接到同一低阻抗的模擬地平面，而且引線(xiàn)要求盡量短，任何DGND額外的阻抗都會(huì)通過(guò)寄生電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到器件內(nèi)部的模擬電路中。當(dāng)然這樣做會(huì)使得轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的數(shù)字電流流入模擬接地平面，但這樣要比把轉(zhuǎn)換器件的DGND腳接到噪聲數(shù)字接地平面帶來(lái)的干擾要小得多。同接地一樣，模擬和數(shù)字電源引腳也應(yīng)該連接到模擬電源平面，并且要盡可能靠近每個(gè)電源引腳連接適當(dāng)?shù)呐月冯娙?。必要情況下應(yīng)將模擬電源引腳與數(shù)字電源引腳用跨接電感的方式隔離。

（4）添加去耦電容。去耦電容可以消除高頻干擾，由于電容器的容抗與頻率成反比，因此將電容并聯(lián)在信號(hào)與地線(xiàn)之間就起到對(duì)高頻噪聲的旁路作用。原則上將每個(gè)集成芯片都加上一個(gè)0.01mF~0.1mF的陶瓷片電容，不僅能使芯片存儲(chǔ)能量，提供和吸收該芯片的電路開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)瞬間的充放電能，還能旁路過(guò)濾掉該器件的高頻噪聲成分。在電源輸入端加上一個(gè)10mF~100mF的電解電容（是鉭電容），可以抑制電源的噪聲干擾，當(dāng)然參加的電容引線(xiàn)不能太長(zhǎng)，因?yàn)殡娙莸囊€(xiàn)長(zhǎng)度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，引線(xiàn)越長(zhǎng)，則感應(yīng)電感越大，電容的諧振頻率就越低，對(duì)高頻噪聲的頻率過(guò)濾作用就會(huì)減弱，甚至消失，因此在高速PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意使電容器的引線(xiàn)盡量短，也就是使得電容盡可能地靠近芯片。

（5）大面積覆銅箔接模擬地。在模擬電路部分覆大面積銅箔并在空白區(qū)域鉆密集的孔接到模擬地，這樣可以起到屏蔽隔離作用，從而減少模擬信號(hào)之間的相互干擾，而且還可以起到散熱作用。

如圖3所示。

圖3銅箔鉆孔接模擬地

（6）電源線(xiàn)和地線(xiàn)要盡量短粗，尤其是跨接數(shù)字電源和模擬電源的磁珠上的線(xiàn)一定要加粗，因?yàn)槌郎p小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。

3混合電路的PCB設(shè)計(jì)實(shí)例

圖4是一塊設(shè)計(jì)好的有32通道數(shù)字接收和轉(zhuǎn)換的典型的數(shù)?；旌想娐返?0層電路板。頻率是高速光纖信號(hào)到達(dá)2.5GHz.

此印制板布局上將模擬電路與數(shù)字電路分開(kāi)，且每路通道之間也完全獨(dú)立有一定間隔距離以保證每個(gè)通道模擬信號(hào)之間不會(huì)相互干擾。模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數(shù)字開(kāi)關(guān)引起的di/dt效應(yīng)。

在電源和地的劃分上，此印制板模擬信號(hào)都走在表面層，而且盡可能走的短、少鉆孔。緊鄰模擬信號(hào)的第二層和第十九層都是完整的統(tǒng)一的模擬地平面，這樣保證模擬信號(hào)有的回流路徑和阻抗，也不會(huì)出現(xiàn)跨分割地出現(xiàn)EMI問(wèn)題。高速信號(hào)層緊鄰地平面層，重要信號(hào)線(xiàn)走帶狀線(xiàn)，并且對(duì)于時(shí)鐘、復(fù)位敏感信號(hào)線(xiàn)走第三層，在兩地平面之間。數(shù)字電源和模擬電源都有獨(dú)立的層面，都開(kāi)展了分割，但每個(gè)電源層也都緊鄰地平面層。

高速的A/D混合器件在板上即器件外接的地引腳都接模擬地，電源引腳都接模擬電源，并且在電源引腳旁邊都添加去耦電容來(lái)消除高頻干擾，如圖5所示?？缃与娫椿虻氐拇胖殡姼猩系木€(xiàn)要加粗，多連幾根信號(hào)線(xiàn)鉆孔接到電源或地平面，這樣可以減小了壓降，降低了噪聲，如圖6所示。

有時(shí)采用鉆大的過(guò)孔接到平面也可以到達(dá)要求。

高頻信號(hào)線(xiàn)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制線(xiàn)寬和線(xiàn)間距，使其到達(dá)阻抗要求，都采用手工布線(xiàn)，在模擬電路部分覆大面積銅箔空白區(qū)域鉆密集的孔以接到模擬地。

此印制板上100M的