中心議題：
- 數(shù)模混合電路干擾的產(chǎn)生機(jī)理
- 數(shù)模混合電路PCB 設(shè)計(jì)的一般處理原則
- 混合電路的PCB 設(shè)計(jì)實(shí)例
高速PCB 的設(shè)計(jì)中，數(shù)模混合電路的PCB設(shè)計(jì)中的干擾問題一直是一個(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。現(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。考慮到它們之間的相互干擾問題以及對(duì)電路性能的影響，電路的布局和布線必須要有一定的原則。混合信號(hào)PCB 設(shè)計(jì)中對(duì)電源傳輸線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)布局和布線的復(fù)雜度。在此，通過分析高密度混合信號(hào)PCB 的布局和布線設(shè)計(jì)，來達(dá)到要求的PCB 設(shè)計(jì)目標(biāo)。
1 數(shù)模混合電路干擾的產(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)字電路的工作依賴在接收端根據(jù)預(yù)先定義的電壓電平或門限對(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)榈碗妷海撈骷慕拥毓苣_就會(huì)放電，產(chǎn)生開關(guān)電流，這就是電路的開關(guān)動(dòng)作。數(shù)字電路的速度越快，其開關(guān)時(shí)間一般也要求越短，當(dāng)大量的開關(guān)電路同時(shí)由邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖綍r(shí)，由于地線通過電流的能力不夠，大量的開關(guān)電流就會(huì)引起邏輯地電壓發(fā)生波動(dòng)，我們稱為地彈。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)多的干擾源是通過電源和地總線產(chǎn)生的，其中地線引起的噪聲干擾最大，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)模混合電路PCB 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（E M C ）的兩個(gè)基本原則：第一個(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。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。在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這兩種情況。
（1 ）布局布線原則。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放置，模擬信號(hào)在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線，而數(shù)字信號(hào)在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線。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最好手工布線，必要時(shí)走差分線或屏蔽線。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。這就要避免在鄰近模擬電源層的地方走數(shù)字時(shí)鐘線和高頻模擬信號(hào)線，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)線來說，高頻的數(shù)字信號(hào)線盡可能遠(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，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，這樣會(huì)引起電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_急劇增加。
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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)地線層進(jìn)行分割，而且必須通過分割之間的間隙布線，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地之間的連接橋，然后通過該連接橋布線，如圖2 所示。
這樣，在每一個(gè)信號(hào)線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，通過數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)以及合適的信號(hào)布線，通常可以解決一些比較困難的布局布線問題，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生因地分割帶來一些潛在的麻煩。通過比較電路板測(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，最好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A D 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，而且引線要求盡量短，任何DGND 額外的阻抗都會(huì)通過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)呐月冯娙荨１匾闆r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門和關(guān)門瞬間的充放電能，還能旁路過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（最好是鉭電容），可以抑制電源的噪聲干擾，當(dāng)然加入的電容引線不能太長，因?yàn)殡娙莸囊€長度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，引線越長，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。
（6 ）電源線和地線要盡量短粗，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。
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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)模混合電路的20 層電路板。最高頻率是高速光纖信號(hào)達(dá)到2.5GHz.
此印制板布局上將模擬電路與數(shù)字電路分開，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)有最佳的回流路徑和阻抗，也不會(huì)出現(xiàn)跨分割地出現(xiàn)E M I 問題。高速信號(hào)層緊鄰地平面層，重要信號(hào)線走帶狀線，并且對(duì)于時(shí)鐘、復(fù)位敏感信號(hào)線走第三層，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，都進(jìn)行了分割，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消除高頻干擾，如圖5 所示。跨接電源或地的磁珠電感上的線要加粗，最好多連幾根信號(hào)線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)采用鉆大的過孔接到平面也可以達(dá)到要求。
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高頻信號(hào)線經(jīng)過嚴(yán)格控制線寬和線間距，使其達(dá)到阻抗要求，都采用手工布線，最后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 的時(shí)鐘信號(hào)線經(jīng)過設(shè)計(jì)軟件仿真分析，如圖7 所示，信號(hào)傳輸基本沒有受到干擾，達(dá)到電訊要求。生產(chǎn)的印制板經(jīng)過調(diào)試顯示，數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾很小，參數(shù)指標(biāo)良好。
4 結(jié)束語
混合電路PCB 設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，元器件的布局、布線以及電源和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能，設(shè)計(jì)時(shí)要遵循一定的布線規(guī)則，才能使設(shè)計(jì)的PCB 板達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
