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混合信号PCB的分区设计

2009-5-24 23:02:16 4088

0 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。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。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。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。在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真正的原因是数字信号的布线不适当。 PCB设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字地电流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对，要保证百分之百遵守布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大多数的A/D转换器厂商会建议：将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注：因为大多数A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须通过外部管脚实现模拟和数字地的连接)，任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路上。按照这个建议，需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地上，但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题。如果系统仅有一个A/D转换器，上面的问题就很容易解决。如图3 中所示，将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。最好的办法是开始时就用统一地。如图4 所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑，可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线，在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线，确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上，也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且，任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能，然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果，会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。 #分割地的方法还有用吗？在以下三种情况可以用到这种方法：一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上；另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源，能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下，将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。 #混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点： 1.将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。 2.合适的元器件布局。 3.A/D转换器跨分区放置。 4.不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。 5.在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。 6.在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。 7.实现模拟和数字电源分割。 8.布线不能跨越分割电源面之间的间隙。 9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。 10.分析返回地电流实际流过的路径和方式。 11.采用正确的布线规则。欲知更多信息请查询：www.sigcon.com、www.ultracad.com和www.hottconsultants.com。第三篇蛇形走线有什么作用? 请问各路大侠,蛇形走线有什么作用?为什么要蛇形走线?哪些类信号线需要蛇形走线,如果要进行蛇形布线,需要满足什么规则和注意什么问题?烦劳大侠们指点一下. RE:蛇形走线有什么作用? - 北京 / vhdl 回复于2000-9-15 9:11:00 >>电感作用视情况而定，比如PCI板上的蛇行线就是为了适应PCI 33MHzClock的线长要求 RE:蛇形走线有什么作用? - 深圳 / jack 回复于2000-9-15 12:04:00 关于蛇形走线，因为应用场合不同具不同的作用,如果蛇形走线在电脑板中出现，其主要起到一个滤波电感的作用，提高电路的抗干扰能力，若在一般普通PCB板中，除了具有滤波电感的作用外，还可作为收音机天线的电感线圈等等. RE:蛇形走线有什么作用? - Shanghai / clgoal 回复于2000-9-15 13:14:00 电脑主机板中的蛇形走线，主要用在一些时钟信号中，如PCIClk,AGPClk，它的作用有两点：1、阻抗匹配 2、滤波电感。对一些重要信号，如INTEL HUB架构中的HUBLink,一共13根，跑233MHz，要求必须严格等长，以消除时滞造成的隐患，绕线是唯一的解决办法。一般来讲，蛇形走线的线距>=2倍的线宽。 RE:蛇形走线有什么作用? - beijing / free 回复于2000-10-16 12:24:00 等长布线，尤其是在高频电路中的数据线。 RE:蛇形走线有什么作用? - 广西北海 / chenshu2000 回复于2000-10-19 9:18:00 有没有计算蛇形线电感量的公式或经验值？ RE:蛇形走线有什么作用? - 北京 / fangll 回复于2000-10-22 21:56:00 specctra可以编程设定网络走线的阻抗匹配规则和差分线走线规则帮助里面讲了一些一般的设计原则 RE:蛇形走线有什么作用? - 大连 / nkhare 回复于2001-2-15 20:07:00 有时也兼作电阻作用。 RE:蛇形走线有什么作用? - jinan / wwx 回复于2001-2-15 22:51:00 实际是一个分布参数的 LC 滤波器。 RE:蛇形走线有什么作用? - 广州 / anrey 回复于2001-2-16 11:04:00 滤波 RE:蛇形走线有什么作用? - 珠海 / liangby 回复于2001-2-16 11:44:00 等长线。平横分布参数 RE:蛇形走线有什么作用? - 珠海 / bigcat 回复于2001-2-16 20:36:00 高速数字PCB板的等线长是为了使各信号的延迟差保持在一个范围内,保证系统在同一周期内读取的数据的有效性(延迟差超过一个时钟周期时会错读下一周期的数据),一般要求延迟差不超过1/4时钟周期,单位长度的线延迟差也是固定的,延迟跟线宽,线长,铜厚,板层结构有关,但线过长会增大分布电容和分布电感,使信号质量,所以时钟IC引脚一般都接RC端接,但蛇形走线并非起电感的作用,相反的,电感会使信号中的上升元中的高次谐波相移,造成信号质量恶化,所以要求蛇形线间距最少是线宽的两倍,信号的上升时间越小就越易受分布电容和分布电感的影响. RE:蛇形走线有什么作用? - 北京 / BITLEFT 回复于2001-6-20 9:59:00 蛇行走线应该注意什么问题？如果，走得不好，对pcb板的抗干扰能力是不是不能好转，反而会有恶化作用？ RE:蛇形走线有什么作用? - GuangZhou / yxlian 回复于2001-6-20 11:19:00 简单地说，PCB上的任何一条走线在通过高频信号的情况下都会对该信号造成时延时，蛇形走线的主要作用是补偿“同一组相关”信号线中延时较小的部分，这些部分通常是没有或比其它信号少通过另外的逻辑处理；最典型的就是时钟线，通常它不需经过任何其它逻辑处理，因而其延时会小于其它相关信号。 14:44:00 哈，在微波电路中，大多蛇行线是为了减小PCB的面积！——因为线长有严格限制。 RE:蛇形走线有什么作用? - 珠海 / bigcat 回复于2001-6-20 19:14:00 　　等线长的蛇形走线没有任何抗干扰的功能，它的作用是将有时序要求的总线或时钟线的延迟控制在所要求的范围内，至于要求如果不会算也可从DATASHEET上得到，一般有时序要求的都会给出线长匹配的数据；在走线时一般遵循3W法则（绕线的间距要两倍于线宽），这样可消除线间78%的互感，尽量减少因电感变化而引起的阻抗不连续。　　另外说明我不是高手，抬得越高摔得越痛；若想见识高手，可以到ＷＷＷ。ＥＤＡＣＨＩＮＡ。ＣＯＭ的高速设计论坛上，有一篇解释版主回的解释线间串扰的帖子，有波形图和注释，这样可以知道什么样水平的是高手。 RE:蛇形走线有什么作用? - 上海市 / bab0523 回复于2001-7-10 13:35:00 主板中，蛇形走线基本上是为了等长，不光HUBLINK，CPUCLK，PCICLK；IDE，DIMM也要绕线，绕线线距依据走线线距，可1：2，1：3，1：4—— RE:蛇形走线有什么作用? - 东莞 / yuanqui_cn 回复于2001-8-18 14:30:00 在2。4G的对讲机中用作电感，可是我不知怎样计算电感量，不知大侠有这方面的经验 RE:蛇形走线有什么作用? - hanzhou / wdyuut 回复于2001-8-22 15:35:00 RE:蛇形走线，大多为了实现总线间的长度匹配，或为了减少布线面积，从电磁干扰的角度来说，比较不利，增大了环路面积，考虑到线间干扰，常常不能达到减少布线面积的目的 RE:蛇形走线有什么作用? - 东莞长安 / 蒋国伟回复于2001-8-22 18:21:00 短而窄的蛇形走线可做保险丝。 0
2009-5-24 23:02:16　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 混合信号PCB的分区设计 256 • 混合信号PCB的分区设计 499 • 混合信号PCB的分区设计 310 • 混合信号PCB分区设计指南 0 • 如何实现混合信号PCB的分区设计 2346 • 混合信号PCB的分区设计 2088 • 混合信号PCB 的分区设计 2016 • 混合信号PCB的分区设计 3287 • 混合信号PCB的分区设计 1500 • 混合信号PCB的分区设计原则 944 2 个讨论