数模混合电路设计布局

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2023-03-27 10:24:14 742

PCB设计正在成为整个电子设计工艺中的焦点，现在有许多PCB不再是单一功能电路，而是由数字电路和模拟电路混合构成的。在一块板卡同时存在数字电路和模拟电路，甚至共享相同的元件，考虑到它们之间的相互干扰问题及对电路性能的影响，电路的布局和布线必须讲究方法。在此，通过透彻分析高密度、高性能、混合信号PCB的布局和布线设计，来达到要求的PCB设计目标。混合信号PCB设计中对电源传输线的特殊需求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求，增加了混合信号PCB的布局和布线的复杂性。

一、混合电路干扰的产生机理和途径

模拟信号与数字信号相比，对噪声的敏感程度要大得多，因为模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压，任何微小的干扰都能影响它的正常工作，而数字电路的工作依赖在接收端根据预先定义的电压电平或门限对高电平或低电平的检测，它相当于判断逻辑状态的“真”或“假”，具有一定的抗干扰能力。

因此，在混合信号环境中，数字电路相对模拟信号而言是一种噪声源。数字电路工作时，稳定的有效电压只有高低电平两种电压。当数字逻辑输出由高电压变为低电压，该器件的接地管脚就会放电，产生开关电流，这就是电路的开关动作。数字电路的速度越快，其开关时间一般也要求越短，当大量的开关电路同时由逻辑高电平变为逻辑低电平时，由于地线通过电流的能力不够，大量的开关电流就会引起逻辑地电压发生波动，我们称为地弹。系统电源在给系统提供能源的同时，也会将其寄生的干扰噪声加到了供电电路上。数字电路造成的地弹噪声和电源扰动，如果耦合到模拟电路中，就会影响模拟电路的工作性能。由于相当多的干扰源是通过电源和地总线产生的，其中地线引起的噪声干扰最大，所以在PCB设计时对地和电源的设计就显得尤为重要。笔者以某信号处理系统的PCB设计为实例，讨论混合电路PCB设计的布局和布线准则。

二、混合电路PCB设计的一般处理原则

（1）布局布线原则在布局或布线之前，要仔细考虑混合电路PCB上所有特殊电源的布线细节。与大多数成功的高密度布局和布线方案一样，布局要满足布线的要求，布局和布线的要求必须互相兼顾。有时由于输入/输出连接器位置的缘故，必须把数字和模拟电路的布线混合在一起，这样就很有可能造成模拟部分和数字部分电路的相互影响。避免在邻近模拟电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线，否则，电源信号的噪声将耦合到敏感的模拟信号之中。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的数字信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。

（2）使用电源和地平面代替电源线和地线以减小阻抗地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压。这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。在多层板内用专用的电源层和地线层来代替印制导线，层的平面电感大大小于导线电感，从而降低了阻抗；对电源的处理也是如此。此外，尽量增加与电源、地相连接的导线宽度，减少环路电阻。

（3）尽量使用高精度的稳态电源以保持输入电源的稳定。

（4）使电源线、地线的走向和信号传递的方向保持一致有助于增强抗噪声能力。

（5）分离数字地和模拟地为了避免数字信号耦合到模拟电路中去，数字地和模拟地通常要分开，只在一点会合。从芯片上的焊点到封装引脚的连线会产生引脚电感和电阻。快速变换的数字电流在某点产生一个电压，经过杂散电容必然耦合到模拟电路某处。为了防止进一步的耦合，芯片模拟地和数字地的外部引脚应用最短的连线接到同一个低阻抗的接地平面上。

（6）对于混合器件的处理通常的混合器件有晶振，高速ADC器件，即在器件内部同时有数字电路和模拟电路两部分。大多数这种接地引脚有AGND和DGND之分。在把这两个接地引脚短接后应接在同一个地平面上。正确的做法是将混合器件作为一个整体，按照模拟器件来处理，所以将AGND和DGND短接后应该接在模拟地。当然这样做会使得转换器内部的数字电流流入模拟接地平面，但这样要比把转换器件的DGND脚接到噪声数字接地平面带来的干扰要小得多。同接地一样，将电路中的模拟部分和数字部分的电源线（最好是电源平面）分开，我们将数字电源按模拟电源处理。必要情况下应将模拟电源引脚与数字电源引脚用跨接电感的方式隔离。

（7）添加去耦电容去耦电容可以消除高频干扰，由于电容器的容抗与频率成反比，因此将电容并联在信号与地线之间就起到对高频噪声的旁路作用。原则上将每个集成芯片都加上一个0.01~0.1 mF的陶瓷片电容，不仅能使芯片存储能量，提供和吸收该芯片的电路开门和关门瞬间的充放电能，还能旁路掉该器件的高频噪声成分。在电源输入端加上一个10~100mF的电解电容（最好是钽电容），可以抑制电源的噪声干扰，当然加入的电容引线不能太长，因为电容的引线长度是一个十分重要的参数，引线越长，则感应电感越大，电容的谐振频率就越低，对高频噪声的频率作用就会减弱，甚至消失，因此在高速PCB板设计时，要特别注意使电容器的引线尽量短，也就是使得电容尽可能地靠近芯片，这一点很容易被忽视。

三、数模混合电路设计布局

本科普涉及元件放置、电路板分层和接地平面方面的考量，文中讨论的准则为混合信号板的布局设计提供了一种实用方法，对所有背景的工程师应当都能有所帮助。

混合信号PCB设计要求对模拟和数字电路有基本的了解，以最大程度地减少（如果不能防止的话）信号干扰。构成现代系统的元件既有在数字域运行的元件，又有在模拟域运行的元件，必须精心设计以确保整个系统的信号完整性。

作为混合信号开发过程的重要组成部分，PCB布局可能令人生畏，而元件放置仅仅是开始。还有其他因素必须考虑，包括电路板各层以及如何适当管理这些层，以最大程度地减少寄生电容（PCB的平面间层之间可能会意外产生此类电容）引起的干扰。

接地也是混合信号系统的PCB布局设计中的一个重要步骤。尽管接地是行业中经常争论的一个话题，但对于工程师来说，制定一套标准化方法不一定是最简单的任务。例如，高质量接地的某个单一问题可能会影响高性能混合信号PCB设计的整个布局。因此，不应忽略此方面。

元件放置

与建造房屋类似，放置电路元件之前必须创建系统的平面规划图。此步骤将奠定系统设计的整体完整性，并应有助于避免高噪声信号干扰。

在制定平面图时，建议遵循原理图的信号路径，尤其是对于高速电路。元件的位置也是设计的关键方面。设计人员应能识别重要的功能模块、信号以及模块之间的连接，从而确定各元件在系统中的最佳位置。例如，连接器最好放置在板的边缘，而辅助元件（如去耦电容和晶振）必须尽可能靠近混合信号器件放置。

模拟和数字模块分离

为了尽量减少模拟和数字信号的共同返回路径，可以考虑模拟和数字模块分离，以使模拟信号不会与数字信号混合。

图1. 模拟和数字电路分离

图1显示了模拟和数字电路分离的一个很好的例子。分割模拟和数字部分时应注意以下事项：

建议将敏感的模拟元件（如放大器和基准电压源）放置在模拟平面内。类似地，高噪声的数字元件（如逻辑控制和时序模块）必须放在另一侧/数字平面上。
如果系统包含一个具有低数字电流的混合信号模数转换器(ADC)或数模转换器(DAC)，则对此的处理方式可以与模拟平面中包含的模拟元件相似。
对于具有多个高电流ADC和DAC的设计，建议将模拟和数字电源分开。也就是说， AVCC 必须与模拟部分绑定，而DVDD应连接到数字部分。
微处理器和微控制器可能会占用空间并产生热量。这些器件必须放置在电路板的中心以便更好地散热，同时应靠近与其相关的电路模块。

电源模块

电源是电路的重要组成部分，应妥善处理。根据经验，电源模块必须与电路的其余部分隔离，同时仍应靠近其供电的元件。

复杂系统中的器件可能有多个电源引脚，在这种情况下，模拟部分和数字部分可以分别使用专用电源模块，以避免高噪声数字干扰。

另一方面，电源布线应短而直，并使用宽走线以减小电感和避免限流。

去耦技术

电源抑制比(PSRR)是设计人员在实现系统目标性能时必须考虑的重要参数之一。PSRR衡量器件对电源变化的灵敏度，最终将决定器件的性能。

为了保持最佳PSRR，有必要防止高频能量进入器件。为此，可以利用电解电容和陶瓷电容的组合将器件电源适当去耦到低阻抗接地平面。

适当去耦的目的是为电路运行创造一个低噪声环境。基本规则是通过提供最短路径来使电流轻松返回。

设计人员务必注意关于每个器件的高频滤波建议。更重要的是，该清单将用作指南，提供一般去耦技术及其正确的实施方案：

电解电容充当瞬态电流的电荷储存器，以最大程度地降低电源上的低频噪声，而低电感陶瓷电容用于降低高频噪声。另外，铁氧体磁珠是可选的，但会增加高频噪声隔离和去耦。
去耦电容必须尽可能靠近器件的电源引脚放置。这些电容应通过过孔或短走线连接到低阻抗接地平面的较大区域，以最大程度地减少附加串联电感。
较小电容（通常为0.01μF至0.1μF）应尽可能靠近器件的电源引脚放置。当器件同时有多个输出切换时，这种布置可防止运行不稳定。电解电容（通常为10μF至100μF）距离器件的电源引脚应不超过1英寸。
为使实施更轻松，可以利用器件GND引脚附近的过孔通过T型连接将去耦电容连接到接地平面，而不是创建走线。示例参见图2。

图2. 电源引脚的去耦技术

电路板层

一旦完成元件放置和平面规划图，我们就可以看看电路板设计的另一个方面——通常称之为电路板层。强烈建议先考虑电路板层，再进行PCB布线，因为这将确定系统设计的允许回流路径。

电路板层指电路板中铜层的垂直布置。这些层应管理整个电路板的电流和信号。

图3. 4层PCB示例

图3显示了电路板各层的视觉表示。表1详细说明了一个典型4层PCB的设置：

表1. 典型4层PCB

通常，高性能数据收集系统应有四层或更多层。顶层通常用于数字/模拟信号，而底层用于辅助信号。第二层（接地层）充当阻抗控制信号的参考平面，用于减少IR压降并屏蔽顶层中的数字信号。最后，电源平面位于第三层。

电源和接地平面必须彼此相邻，因为它们提供了额外的平面间电容，有助于电源的高频去耦。对于接地层，这些年来针对混合信号设计的建议已改变。多年来，将接地平面分为模拟和数字两部分是有道理的，但是对于现代的混合信号器件，建议采用一种新方法。适当的平面规划和信号分离应能防止高噪声信号的相关问题。

接地平面：分离还是不分离？

接地是混合信号PCB布局设计中的一个重要步骤。典型4层PCB至少须有一层专门用于接地平面，以确保返回信号通过低阻抗路径返回。所有集成电路接地引脚应路由并直接连接到低阻抗接地平面，从而将串联电感和电阻降至最低。

对于混合信号系统，分离模拟和数字接地已成为一种标准接地方法。但是，具有低数字电流的混合信号器件最好通过单一接地进行管理。更进一步，设计人员必须根据混合信号电流需求考虑哪种接地做法最合适。设计人员须考虑两种接地做法。

单一接地平面

对于具有单个低数字电流ADC或DAC的混合信号系统，单一实接地平面会是最佳方法。要理解单一接地层的重要性，我们需要回顾返回电流。返回电流是指返回接地以及器件之间的走线以形成一个完整环路的电流。为了防止混合信号干扰，必须跟踪整个PCB布局中的每条返回路径。

图4. 采用实接地平面的系统的返回电流

图4中的简单电路显示了单一实接地平面相对于分离接地平面的优势。信号电流具有大小相等但方向相反的返回电流。该返回电流在接地平面中流回源，它将沿着阻抗最小的路径流动。

对于低频信号，返回电流将沿着电阻最小的路径流动，通常是器件接地基准点之间的直线。但对于较高频率信号，返回电流的一部分会尝试沿着信号路径返回。这是因为沿此路径的阻抗较低，流出和返回的电流之间形成的环路最小。

模拟地和数字地分离

对于难以采用实接地方案的复杂系统，分离接地可能更合适。分离接地平面是另一种常用方法，接地平面一分为二：模拟接地平面和数字接地平面。这适用于具有多个混合信号器件并消耗高数字电流的更复杂系统。图5显示了采用分离接地平面的系统示例。

图5. 采用分离接地平面的系统的返回电流

对于采用分离接地平面的系统，实现整体接地的最简单解决方案是消除接地平面的中断，并允许返回电流采取更直接的路线，通过星形接地交界处流回。星形接地是混合信号布局设计中模拟和数字接地平面连接在一起的交界处。

在常见系统中，星形接地可以与模拟和数字接地平面之间的简单狭窄连续交界相关。对于更复杂的设计，星形接地通常用跳线分流到接地接头来实现。星形接地中没有电流流动，因此不需要承载高电流的接头和跳线分流器。星形接地的主要作用是确保两个接地具有相同的基准电平。

设计人员务必检查每个器件的数据手册中提供的接地建议，确保符合接地要求并避免与接地有关的问题。另一方面，具有AGND和DGND引脚的混合信号器件可以与各自的接地平面相连因为星形接地也会在一点上连接两种接地。这样，所有高噪声数字电流都会流过数字电源，一直流到数字接地平面，并回到数字电源，同时与敏感的模拟电路隔离。AGND和DGND平面的隔离必须在多层PCB的所有层上实现。

其他常见接地做法

可以采用下面的步骤或检查清单来确保在混合信号/数字系统中实施了适当的接地方案：

星形接地点的连接应由较宽的铜走线构成。
检查接地平面有无窄走线，这些连接是不合需要的。
提供焊盘和过孔很有用，以便在必要时可以连接模拟和数字接地平面。

混合电路PCB设计实际J时钟应用

通常许多芯片供应商对提供高质量的布板在数据手册说明中有一些比较好的建议，例如严格的时间限制，器件的信号完整性设计要求。根据数据手册的要求并与封装中每条电源和接地引脚的特定要求相结合，就可以开始对芯片进行布局布线。下面是在某系统设计中涉及的混合电路部分进行具体的分析。在这个板卡上大部分都是数字器件，模拟器件仅占小部分，但是他们都是和时钟有关的关键部分，如果他们的正常工作受到影响，将对整个系统的性能造成极大的破坏作用，因此对这些部分的处理是非常关键的。我们希望将数字部分和模拟部分完全分割，这样数字部分的噪声就不容易通过公共地线或电源线影响模拟部分的工作。实际上，在处理这种分割时，还要考虑到模拟器件与数字器件之间是否有信号相连，这些信号的回流是否会受到分割的阻碍，来决定是否要进行完全分割或不完全分割。

结论

混合信号应用的PCB布局可能很有挑战性。创建元件平面规划图只是起点。当努力实现混合信号系统布局的最佳性能时，正确管理电路板层和制定适当的接地方案也是系统设计人员必须考虑的关键点之一。制定元件平面规划图将有助于奠定系统设计的整体完整性。适当地组织电路板层将有助于管理整个电路板的电流和信号。最后，选择最有利的接地方案将会改善系统性能，并防止与高噪声信号和返回电流相关的问题发生。

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