混合信号是指数字和模仿信号。第一个原则是尽或许减小电流环路的面积;第二个原则是体系只选用一个参阅面。相反,假如体系存在两个参阅面,就或许构成一个偶极天线(注:小型偶极天线的辐射巨细与线的长度、流过的电流巨细以及频率成正比);而假如信号不能经过尽或许小的环路回来,就或许构成一个大的环状天线(注:小型环状天线的辐射巨细与环路面积、流过环路的电流巨细以及频率的平方成正比)。在规划中要尽或许防止这两种状况。
有人主张将混合信号电路板上的数字地和模仿地切割开,这样能完成数字地和模仿地之间的阻隔。虽然这种办法可行,可是存在许多潜在的问题,在杂乱的大型体系中问题特别杰出。最要害的问题是不能跨过切割空隙布线,一旦跨过了切割空隙布线,电磁辐射和信号串扰都会急剧添加。在PCB规划中最常见的问题便是信号线跨过切割地或电源而发生EMI问题。
咱们选用上述切割办法,并且信号线跨过了两个地之间的空隙,信号电流的回来途径是什么呢?假定被切割的两个地在某处衔接在一起(一般状况下是在某个方位单点衔接),在这种状况下,地电流将会构成一个大的环路。流经大环路的高频电流会发生辐射和很高的地电感,假如流过大环路的是低电平模仿电流,该电流很简单遭到外部信号搅扰。最糟糕的是当把切割地在电源处衔接在一起时,将构成一个十分大的电流环路。别的,模仿地和数字地经过一个长导线衔接在一起会构成偶极天线。
了解电流回流到地的途径和办法是优化混合信号电路板规划的要害。许多规划工程师只是考虑信号电流从哪儿流过,而疏忽了电流的详细途径。假如有必要对地线层进行切割,并且有必要经过切割之间的空隙布线,能够先在被切割的地之间进行单点衔接,构成两个地之间的衔接桥,然后经过该衔接桥布线。这样,在每一个信号线的下方都能够供给一个直接的电流回流途径,从而使构成的环路面积很小。
选用光阻隔器件或变压器也能完成信号跨过切割空隙。关于前者,跨过切割空隙的是光信号;在选用变压器的状况下,跨过切割空隙的是磁场。还有一种可行的办法是选用差分信号:信号从一条线流入从别的一条信号线回来,这种状况下,不需要地作为回流途径。
要深入探讨数字信号对模仿信号的搅扰有必要先了解高频电流的特性。高频电流总是挑选阻抗最小(电感最低),直接坐落信号下方的途径,因而回来电流会流过附近的电路层,而不管这个接近层是电源层仍是地线层。
在实践工作中一般倾向于运用一致地,而将PCB分区为模仿部分和数字部分。模仿信号在电路板一切层的模仿区内布线,而数字信号在数字电路区内布线。在这种状况下,数字信号回来电流不会流入到模仿信号的地。
只要将数字信号布线在电路板的模仿部分之上或许将模仿信号布线在电路板的数字部分之上时,才会呈现数字信号对模仿信号的搅扰。呈现这种问题并不是由于没有切割地,真实的原因是数字信号的布线不适当。
PCB规划选用一致地,经过数字电路和模仿电路分区以及适宜的信号布线,一般能够处理一些比较困难的布局布线问题,一起也不会发生因地切割带来的一些潜在的费事。在这种状况下,元器材的布局和分区就成为决议规划好坏的要害。假如布局布线合理,数字地电流将约束在电路板的数字部分,不会搅扰模仿信号。关于这样的布线有必要细心地查看和核对,要保证百分之百恪守布线规矩。不然,一条信号线走线不妥就会完全损坏一个原本十分不错的电路板。
在将A/D转换器的模仿地和数字地管脚衔接在一起时,大多数的A/D转换器厂商会主张:将AGND和DGND管脚经过最短的引线衔接到同一个低阻抗的地上(注:由于大多数A/D转换器芯片内部没有将模仿地和数字地衔接在一起,有必要经过外部管脚完成模仿和数字地的衔接),任何与DGND衔接的外部阻抗都会经过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模仿电路上。依照这个主张,需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都衔接到模仿地上,但这种办法会发生比如数字信号去耦电容的接地端应该接到模仿地仍是数字地的问题。
假如体系仅有一个A/D转换器,上面的问题就很简单处理。如图3中所示,将地切割开,在A/D转换器下面把模仿地和数字地部分衔接在一起。采纳该办法时,有必要保证两个地之间的衔接桥宽度与IC等宽,并且任何信号线都不能跨过切割空隙。
假如体系中A/D转换器较多,例如10个A/D转换器怎样衔接呢?假如在每一个A/D转换器的下面都将模仿地和数字地衔接在一起,则发生多点相连,模仿地和数字地之间的阻隔就毫无意义。而假如不这样衔接,就违反了厂商的要求。
最好的办法是开始时就用一致地。如图4所示,将一致的地分为模仿部分和数字部分。这样的布局布线既满意了IC器材厂商对模仿地和数字地管脚低阻抗衔接的要求,一起又不会构成环路天线或偶极天线而发生EMC问题。
假如对混合信号PCB规划选用一致地的做法心存疑虑,能够选用地线层切割的办法对整个电路板布局布线,在设计时留意尽量使电路板在后边试验时易于用距离小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将切割地衔接在一起。留意分区和布线,保证在一切的层上没有数字信号线坐落模仿部分之上,也没有任何模仿信号线坐落数字部分之上。并且,任何信号线都不能跨过地空隙或是切割电源之间的空隙。要测验该电路板的功用和EMC功用,然后将两个地经过0欧姆电阻或跳线衔接在一起,从头测验该电路板的功用和EMC功用。比较测验成果,会发现简直在一切的状况下,一致地的计划在功用和EMC功用方面比切割地更优越。
切割地的办法还有用吗?
在以下三种状况能够用到这种办法:一些医疗设备要求在与患者衔接的电路和体系之间的漏电流很低;一些工业进程操控设备的输出或许衔接到噪声很大并且功率高的机电设备上;别的一种状况便是在PCB的布局遭到特定约束时。
在混合信号PCB板上一般有独立的数字和模仿电源,能够并且应该选用切割电源面。可是紧邻电源层的信号线不能跨过电源之间的空隙,而一切跨过该空隙的信号线都有必要坐落紧邻大面积地的电路层上。在有些状况下,将模仿电源以PCB衔接线而不是一个面来规划能够防止电源面的切割问题。
混合信号PCB规划是一个杂乱的进程,规划进程要留意以下几点:
1. 将PCB分区为独立的模仿部分和数字部分。
2. 适宜的元器材布局。
3. A/D转换器跨分区放置。
4. 不要对地进行切割。在电路板的模仿部分和数字部分下面敷设一致地。
5. 在电路板的一切层中,数字信号只能在电路板的数字部分布线。
6. 在电路板的一切层中,模仿信号只能在电路板的模仿部分布线。
7. 完成模仿和数字电源切割。
8. 布线不能跨过切割电源面之间的空隙。
9. 有必要跨过切割电源之间空隙的信号线要坐落紧邻大面积地的布线层上。
10.剖析回来地电流实践流过的途径和办法。
11.选用正确的布线规矩