文档介绍：PCB LAYOUT GUIDE LINE
第一章:混合信号 PCB 的分区设计
摘要:混合信号电路 PCB 的设计很复杂,元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性
能和电磁兼容性能。本文介绍的地和电源的分区设计能优化混合信号电路的性能。
如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原
则:第一个原则是尽可能减小电流环路的面积;第二个原则是系统只采用一个参考面。相反,如果系统存
在两个参考面,就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、流过的电流大小以及
频率成正比);而如果信号不能通过尽可能小的环路返回,就可能形成一个大的环状天线(注:小型环状天
线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情
况。
所有电流必须有流回源的回路。该回路的产生会自动寻找最小阻抗的路径。通常在具有电源/地层平面
的 PCB 结构中,会直接在信号线下方的平面上(电源或地)。该回流信号(电流)与原信号(电流)幅度
相同、方向相反。
I 1
i(D) = 0 ×
π× H 1+ (D / H )2
I0 —信号总电流,A
H —信号线到参考平面的距离,m
D —观测点到信号线中心的垂直距离,m
i(D) —观测点的回流电流密度,A/in
一:分割
有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开,这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这
种方法可行,但是存在很多潜在的问题,在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分
割间隙布线,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。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。
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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个地之间的间隙,信号电流的返回路径是什么
呢?假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接),在这种情况下,地电流
将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感,如果流过大环路的是低电平
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,模拟地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。
同时要注意以下两点:
参考平面的开槽不适当的参考平面的开槽,将增加信号的环路面积。
D
W
连接器的隔离盘连接器在参考平面上不适当的隔离盘,将增加信号的环路面积。
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信号环路面积增加,将产生额外的感抗,减慢信号边沿速率,并在临近信号线上产生互感串扰
D
L = 5D ln( )
W nH
L
T10−90L / R = ×
2× Z0
2 2
Tr = (T ) + (T ) Tr = × L×C (短线)
10−90L / R 10−90 (长线)
ΔV × L
Vcrosstalk = × ΔV ×C × L
Tr × Z0 V =
(长线) crosstalk 2 (短线)
(Tr )
了解电流回流到地的路径和方式是优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电流从
哪儿流过,而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割,而且必须通过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,然后通过该连接桥布线。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。
采用光隔离器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。还有一种可行的办法是采用差分信号:信号从一条线流入从另外一
条信号线返回,这种情况下,不需要地作为回流路径。
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,而无论这个临近层是电源层还是地线
层。
Written by 沈高飞惠州华