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混合信号布局技术

  • 2019-09-09 00:00
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    如图1-8-1所示的混合信号PCB中显示的是一种错误的布局方式。

    从原理图中可以看到数字电路的电流流过了模拟平面,这是一种比较糟糕的情况,会在模拟电路中引起额外的噪声干扰和寄生参数,如图1-8-2所示。

    分析一下这种错误布局方式的地平面电流,图中箭头所示的电流穿过了中间敏感的模拟电路,时钟电路与数字电路相互传递信号,而模拟电路会接收这些信号。从图1-8-2所示的原理图中可以看到,流过那些电阻和电感的电流会产生一个电压,而这个电压将会被叠加到模拟地上,进而引入到模拟电路中。


混合信号电路错误的布局方式


    图1-8-1混合信号电路错误的布局方式


混合信号电路原理图(错误的布局)


    图1-9-2混合信号电路原理图(错误的布局)

    正确的布局方式如图1-8-3所示,将敏感电路放在PCB的一侧,而模拟电路紧靠在其旁边,要把时钟和数字电路放在远离敏感电路的位置。如图1-8-4所示的电路图,模拟电路和数字电路分别用Ua和Ud供电,所有接地回路都分别接到接地点,消除了误差电压。

    图1-8-5所示是正确布局电路的通信情况,模拟电路和前端敏感电路通信,数字电路和时钟电路进行信号传输而不会干扰模拟电路。


混合信号电路正确的布局方式


    图1-8-3混合信号电路正确的布局方式


混合信号电路原理图(正确的布局)


    图1-8-4混合信号电路原理图(正确的布局)


正确布局电路的通信情况


    图1-8-5正确布局电路的通信情况

    再分析一下地平面及其布线,图1-8-6所示的顶层是完整的地平面,底层是链接RF端口及其负载的传输线。可以看到,在顶层地平面的回流就在底层回流线的正上方流动。对于地平面,理想情况是电流先沿着布线流动,然后回到地平面,而且正好在底层布线的正上方流动,这样就可以获得最小的感应系数。然而在有些情况下,PCB的设计不能保证地平面的完整性,如图1-9-7所示。

    图中所示的分裂的地平面中,回流在直流情况下将会沿着电阻最小的通路传输,如图中细箭头所示;而回流在交流情况下将会沿阻抗最小的通路流动,如图中粗箭头所示,实际上这将会辐射EMI和RFI能量,所以这不是正确的方法。

    图1-8-8所示的电路中,左边是模拟电源和模拟电路,右边是数字电源和数字电路,中间是混合信号器件,它既有模拟地,又有数字地。正确的做法是将混合信号器件的模拟地连接到模拟地平面,而将数字地连接到数字地平面,两个地平面最终必须在某个点上连接起来。在两个地平面之间开一个很小的口,这样数字电路中产生的噪声很难干扰到模拟电路,反之亦然。所以,当模拟电流被限制在电路中模拟电路一侧,而数字电流被限制在电路中数字电路一侧时,两个电路之间的影响非常小,这是在一个PCB上混合器件接地的正确做法。

    目前还没有哪一种单一的接地方法能保证在任何情况下都有效,但一般应遵循以下原则:

    去除运算放大器下面的地平面以减小寄生电容;每个PCB上必须至少有一层用于接地平面;对于一些高速信号的布线,应该在信号线的下面提供尽量多的地平面;越厚的覆铜越好(可减小阻抗和提高散热性能);同样的地平面必须使用多个过孔连接;在最初设计时建议将模拟地和数字地分开;要遵循混合信号器件数据手册上的建议,认真阅读数据手册,上面会有很多很有用的信息(尤其是制板部分),有些内容是非常重要的;让电源的去耦电容和负载回路尽量靠近以减小噪声;要把模拟、数字和射频信号的地在一点连接。


电路回流流动情况(1)


    图1-8-6电路回流流动情况(1)


电路回流流动情况(2)


    图1-8-6电路回流流动情况(2)


模数混合电路的接地方法


    图1-8-8模数混合电路的接地方法