如何對混合信號 PCB 進行電磁兼容性分區和版圖設計

本文要點

在混合信號 PCB 中，需要將模擬和數字信號進行物理隔離，這一過程稱為分區。

對混合信號 PCB 進行分區和合理設計版圖有助于減少串擾和干擾。

混合信號 PCB 電磁兼容性的基本規則是：

使電流路徑更靠近源頭，并盡可能地緊湊，使回路面積盡可能小。

對一個系統只提供一個參考接地平面，否則，就相當于有意制造了一個偶極子天線。

設想這樣一個高頻轉換器電路 PCB，其中的輸入電壓和電流是模擬信號。轉換器中的開關隨著數字時鐘信號的應用開始切換。轉換器中的電源電路是模擬的，控制電路是數字的。

轉換器 PCB 是一種混合信號 PCB，因為它同時處理模擬和數字信號。在混合信號 PCB 中，需要在一個被稱為“分區”的過程中以物理方式分離模擬信號和數字信號。

設計混合信號 PCB 是一項挑戰，因為模擬和數字元件的電流、電壓和額定功耗各不相同。但是，遵循一些基本設計規則將有助于簡化混合信號 PCB 的分區和版圖。

混合信號 PCB 更容易受到串擾的影響

設計師必須對混合信號 PCB 進行分區并仔細設計版圖——

實現電磁兼容性 (EMC) 是混合信號 PCB 設計師非常關心的一個問題。當模擬和數字信號在沒有隔離的情況下共存于一塊 PCB 上時，它們很有可能會混在一起，造成串擾和電磁干擾。例如，數字邏輯接地電流會污染混合信號 PCB 上的低電平模擬信號。這可能會導致反饋回路錯誤、控制系統故障，以及輸出波形中產生諧波。在這些情況下，混合信號 PCB 的電磁兼容性就會受到影響，導致產品的性能不佳。適當的分區和合理的版圖有助于使數字和模擬信號保持隔離，防止它們相互干擾，進而大大減少串擾。

在對混合信號 PCB 進行分區和版圖設計時，必須遵循兩條規則：

1. 使電流路徑更靠近源頭，并盡可能地緊湊，使回路面積盡可能小。

2. 對一個系統只提供一個參考接地平面，否則，就相當于有意制造了一個偶極子天線。

這兩條規則被視為混合信號 PCB 分區和版圖設計的基本原則。下面，讓我們進一步了解一下這兩條黃金法則。

法則1. 保持局部、緊湊的電流路徑

在 PCB 上流動的每個信號都會通過接地平面返回到源頭。信號線和回流線在 PCB 上形成一個電流回路。根據上文提到的第一條規則，在鋪設回流線時應使其與信號源相鄰，形成最小的環路面積。

Q：為什么推薦這種設置，這樣做為何會減少電磁干擾？

所有的回流電流都喜歡流經低阻抗路線。當回流線直接位于信號線下方時，電流回路的阻抗最低。當信號線及其回流線形成的環路很大時，就會形成一個高阻抗的路徑。這是電流回路中的寄生電容和電感造成的。

當信號線和回流線距離較遠時，寄生電容的值很高，增加了回路的阻抗?；芈冯姼泻碗姾勺哌^的距離也有關系，這進一步增加了路徑的阻抗。當回路很大時，從源頭離開的電荷要走很遠才能到達地面。這會增加電流回路的電感，反過來又增加了阻抗。

當高頻模擬信號流經高阻抗的大型電流回路時，它們會發出輻射并造成干擾。同樣，低電平模擬信號在流經高阻抗電流回路時，更容易受到電磁干擾的影響。另外，信號線和回流線形成了一個環形天線，加劇了電磁干擾問題。因此我們希望讓電流回路做到短小、局部和緊湊。

法則2. 需要單個參考接地平面

分割接地平面是隔離數字和模擬接地的一種方法。在這種方法中，接地平面之間是分離的，而且不可能在分割處布線。在這種接地平面彼此分離的 PCB 中，兩個接地平面只在電源供電附近連接，形成一個大的電流回路，這不利于非敏感型電磁干擾的 PCB 設計。除此之外，模擬和數字接地平面處于不同的電位，鋪設在這些平面上的長線會形成一個名副其實的偶極子天線，發出電磁輻射。

考慮到所有這些因素，對混合信號 PCB 進行分區是理想的做法。分區使參考接地平面保持共用。模擬信號在模擬部分布線，數字信號在數字部分布線，因此，信號各居其位。

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文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇