PCB部落格 - 數模混合電路的PCB板設計

In the design of high speed 電路板, 數模混合電路PCB設計中的干擾問題一直是一個難題. 特別地, 類比電路通常是信號源. 訊號能否正確接收和轉換是PCB設計中需要考慮的一個重要因素. 通過分析混合電路的干擾機理, 結合設計實踐, 本文討論了混合電路的一般處理方法, 並通過設計實例進行了驗證. A printed circuit board (PCB) is a support for circuit elements and devices in electronic products, 它在電路元件和設備之間提供電力連接. 現在有許多PCB不再是單一功能電路, 但是數位和類比電路的混合. 數據通常在類比電路中收集和接收, 而頻寬和增益必須數位化以進行軟件控制, 囙此，數位電路和類比電路通常共存於一塊板上, 即使共亯相同的組件. 考慮它們之間的相互干擾以及對電路效能的影響, 電路的佈局和佈線必須有一定的原則. 混合訊號PCB設計中對輸電線路的特殊要求以及隔離類比和數位電路之間雜訊耦合的要求新增了設計期間佈局和佈線的複雜性. 在這裡, 通過分析高密度混合訊號PCB的佈局和佈線設計，實現了所需的PCB設計目標.

1. The generation mechanism of digital-analog hybrid circuit interference
Compared with digital signals, 類比信號對雜訊更敏感, 因為類比電路的運行取決於不斷變化的電流和電壓, 任何輕微的干擾都會影響其正常運行, 而數位電路的操作依賴於接收端根據預定義的電壓電平或閾值檢測高電平或低電平, 並具有一定的抗干擾能力. 但在混合訊號環境中, 與類比信號相比，數位信號是雜訊源. 數位電路工作時, 只有兩種電壓, 高電平和低電平, 穩定的有效電壓. 當數位邏輯輸出從高壓變為低壓時, 設備的接地引脚將放電, 產生開關電流, 這是電路的開關動作. 數位電路的速度越快, 通常需要的切換時間越短. 當大量開關電路同時從邏輯高電平變為邏輯低電平時, 由於接地線傳遞電流的能力不足, 大量的開關電流將導致. 邏輯接地電壓波動, 我們稱之為地面反彈. 如圖1所示. 數位電路引起的地面反彈雜訊和電源干擾, 如果耦合到類比電路中, 將影響類比電路的效能. 因為相當多的干擾源是由電源和接地母線產生的, 其中地線引起的雜訊干擾, 接地和電源的設計在PCB設計中尤為重要.

2. General processing principles for PCB design of digital-analog hybrid circuits
The above mentioned the generation mechanism of hybrid circuit interference, 那麼如何减少數位信號和類比信號之間的相互干擾呢? Two basic principles of electromagnetic compatibility (EMC) must be understood before design: The first principle is to minimize the area of the current loop, 如果訊號不能通過盡可能小的回路返回, 可以形成一個大的環形天線. 第二個原則是系統僅使用一個參攷平面. 相反地, 如果系統有兩個參照平面, 可以形成偶極子天線. 在設計中應盡可能避免這兩種情况.
(1) Layout and routing principles. 元件佈局中首先要考慮的因素之一是將類比電路部分與數位電路部分分開. 類比信號在電路板所有層的類比區域佈線, 數位信號在數位電路區佈線. 在這種情況下, 數位信號回路電流不流入類比信號接地. 對於某些具有高頻和特殊要求的線路, 如有必要，使用差分線或遮罩線. 有時由於輸入的位置/輸出連接器, 有必要混合數位和類比電路的佈線, 囙此，類比電路和數位電路相互干擾的可能性很大. 這是為了避免在類比功率平面附近運行數位時鐘線和高頻類比信號線, 否則, 功率訊號的雜訊將耦合到敏感的類比信號中. 嘗試實現低阻抗電源和接地網絡, 數位電路導線的感應電抗應最小化, 類比電路的電容耦合應最小化. 數位電路的頻率很高, 類比電路的靈敏度很强. 對於訊號線, 高頻數位信號線應盡可能遠離敏感的類比電路設備.
(2) Handling of power and ground. 在複雜混合電路板的設計中, 接地線的佈局和處理是提高電路效能的重要因素. 建議在混合訊號板上分離數位和類比接地，以實現數位和類比接地之間的隔離. 但這種方法傾向於跨越鴻溝, 這會導致電磁輻射和訊號串擾急劇增加. 瞭解電流返回地面的位置和管道是優化混合訊號板設計的關鍵. 如果必須劃分地面層, 佈線必須穿過隔板之間的間隙, 可在分開的接地之間進行單點連接，以在兩個接地之間形成連接橋, 然後通過連接橋佈線. 以這種管道, 可在每個訊號線下提供直流回流路徑, 或光學隔離裝置, 變壓器, 等. 可用於實現訊號跨越分割間隙. 然而, 在實際工作中, PCB設計傾向於使用統一接地. 通過數位電路和類比電路的劃分和適當的訊號佈線, 通常可以解决一些困難的佈局和佈線問題, 不會出現因接地分離引起的一些潜在故障. . 通過比較電路板測試結果, 還發現，統一解決方案在功能和EMC效能方面優於分段解決方案. 混合訊號PCB上通常有單獨的數位和類比電源, 應使用分裂功率平面, 地平面附近和下方. 功率平面可以將射頻電流耦合到可以連接到空間的電路. 為了减少這種耦合效應, the power planes are required to be physically 20H smaller than their adjacent ground planes (H refers to the distance between the power supply and the ground plane).
(3) Handling of hybrid devices. 常見的混合器件包括晶體振盪器, 高速AD設備, 等., 裝置內部有數位電路和類比電路兩部分. 通常地, AGND和DGND引脚應外部連接到同一低阻抗類比接地層, 導線應盡可能短. DGND的任何附加阻抗都會通過寄生電容將更多的數位雜訊耦合到設備內部的類比電路. . 當然, 這樣做將導致轉換器內的數位電流流入類比接地層, 但這比將轉換器的DGND引脚連接到嘈雜的數位地平面干擾小得多. 相似地面, 類比和數位電源引脚也應通過適當的旁路電容器連接到類比電源平面，盡可能靠近每個電源引脚. 如有必要, 通過將類比電源引脚連接到電感器上，將其與數位電源引脚隔離.
(4) Add decoupling capacitors. 去耦電容器可以消除高頻干擾. 因為電容器的電容電抗與頻率成反比, 在訊號和地面之間並聯電容器可以繞過高頻雜訊. 原則上, a 0.01mF ~ 0.每個集成晶片上都添加了1mF陶瓷晶片電容器, 這不僅使晶片能够存儲能量, 當晶片電路打開和關閉門時，提供並吸收充電和放電能量, 但也繞過了篩檢程式. 設備的高頻雜訊部件. Adding a 10mF~100mF electrolytic capacitor (tantalum capacitor) to the power input can suppress the noise interference of the power supply. 當然, 新增的電容器引線不宜過長, 因為電容器的引線長度是一個非常重要的參數, 領先時間越長, 電感越大, 電容器的諧振頻率越低, 頻率濾波對高頻雜訊的影響會减弱甚至消失. 使電容器盡可能靠近晶片.
(5) A large area of copper clad foil is connected to the analog ground. 在類比電路部分覆蓋大面積銅箔，並在空白區域鑽密集孔，以連接到類比接地, 起到遮罩隔離作用, 從而减少類比信號之間的相互干擾, 也可以起到散熱的作用.
(6) The power line and the ground line should be as short and thick as possible, 尤其是磁珠上連接數位電源和類比電源的線路必須很厚, 因為除了降低電壓降之外, 更重要的是要降低耦合雜訊.

3. PCB design example of hybrid circuit
The layout of the printed board separates the analog circuit from the digital circuit, 每個通道在一定距離內完全獨立，以確保每個通道的類比信號不會相互干擾. 將類比電路放置在盡可能靠近電路板邊緣的位置, 並將數位電路盡可能靠近電源連接，以减少di/數位開關引起的dt效應. 在電源和接地的劃分中, 這種印製板的類比信號都在表層, 它們盡可能短，盡可能鑽. 類比信號旁邊的第二層和第十九層是完整和統一的類比地平面, 以確保類比信號的返回路徑和阻抗, 在分割的地面上不會出現電磁干擾問題. 高速訊號層緊挨著地平面層, 重要的訊號線被路由到帶狀線, 時鐘和重置敏感訊號線被路由到兩個接地層之間的第3層. 數位和類比功率都有單獨的平面, 兩者都是分開的, 但每個電源平面也直接與地平面層相鄰. 高速A/D混合設備連接至電路板上的類比接地, 那就是, 設備的外部接地引脚連接至類比接地, 電源引脚均連接至類比電源, 在電源引脚旁邊添加去耦電容器，以消除高頻干擾. 磁珠感應器上連接電源或接地的線路應加厚, 此外，還應鑽一些訊號線，以連接到電源或接地層, 它可以降低電壓降和譟音. 有時使用大通孔. 連接到飛機也可以滿足要求. 高頻訊號線由線寬和行距嚴格控制，以滿足阻抗要求. 它們都是手動接線的, 在類比電路部分的大面積銅箔的空白區域鑽有密集的孔，以連接到類比地. 利用設計軟體對該印製板上的100M時鐘訊號線進行了模擬分析, 訊號傳輸基本不受干擾, 滿足電信要求. 調試後生產的印製板表明，數位信號對類比信號的干擾很小, 參數名額良好.

4. Conclusion
Hybrid circuit PCB design is a complex process. 元件的佈局和佈線以及電源和地線的處理將直接影響電路效能和電磁相容性. 在設計中必須遵循某些佈線規則，以使設計的 PCB板 滿足設計要求.