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混合信號PCB的分區設計
混合信號電路PCB的設計很複雜，零組件的佈局、佈線以及電源和地線的處理將直接影響
到電路性能和電磁相容性能。本文介紹的地和電源的分區設計能最佳化混合信號電路的性
能。如何降低數位信號和類比信號間的相互干擾呢？在設計之前必須了解電磁相容(EMC)
的兩個基本原則：第一個原則是盡可能減小電流迴路的面積；第二個原則是系統只採用一
個參考面。相反，如果系統存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線(註：小型偶極天
線的輻射大小與線的長度、流過的電流大小以及頻率成正比)；而如果信號不能藉由盡可
能小的環路返回，就可能形成一個大的環狀天線(註：小型環狀天線的輻射大小與環路面
積、流過環路的電流大小以及頻率的平方成正比)。在設計中要盡可能避免這兩種情況。
有人建議將混合信號電路板上的數位地和類比地分割開，這樣能實現數位地和類比地之間
的隔離。儘管這種方法可行，但是存在很多潛在的問題，在複雜的大型系統中問題尤其突
出。最關鍵的問題是不能跨越分割間隙佈線，一旦跨越了分割間隙佈線，電磁輻射和信號
串擾都會急劇增加。在PCB設計中最常見的問題就是信號線跨越分割地或電源而產生EMI問
題。
如圖1所示，我們採用上述分割方法，而且信號線跨越了兩個地之間的間隙，信號電流的
返回路徑是什麼呢？假定被分割的兩個地在某處連接在一起(通常情況下是在某個位置單
點連接)，在這種情況下，地電流將會形成一個大的環路。流經大環路的高頻電流會產生
輻射和很高的地電感，如果流過大環路的是低電平類比電流，該電流很容易受到外部信號
干擾。最糟糕的是當把分割地在電源處連接在一起時，將形成一個非常大的電流環路。另
外，類比地和數位地藉由一個長導線連接在一起會構成偶極天線。
了解電流回流到地的路徑和方式是最佳化混合信號電路板設計的關鍵。許多設計工程師僅
僅考慮信號電流從何處流過，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線層進行分割，而
且必須藉由分割之間的間隙佈線，可以先在被分割的地之間進行單點連接，形成兩個地之
間的連接橋，然後藉由該連接橋佈線。這樣，在每一個信號線的下方都能夠提供一個直接
的電流回流路徑，從而使形成的環路面積很小。
採用光隔離元件或變壓器也能實現信號跨越分割間隙。對於前者，跨越分割間隙的是光信
號；在採用變壓器的情況下，跨越分割間隙的是磁場。還有一種可行的辦法是採用差分信
號：信號從一條線流入從另外一條信號線返回，這種情況下，不需要地作為回流路徑。
要深入探討數位信號對類比信號的干擾必須先了解高頻電流的特性。高頻電流總是選擇阻
抗最小(電感最低)，直接位於信號下方的路徑，因此返回電流會流過鄰近的電路層，而無
論這個臨近層是電源層還是地線層。
在實際工作中一般傾向於使用統一地，而將PCB分區為類比部份和數位部份。類比信號在
電路板所有層的類比區內佈線，而數位信號在數位電路區內佈線。在這種情況下，數位信
號返回電流不會流入到類比信號的地。
只有將數位信號佈線在電路板的類比部份之上或者將類比信號佈線在電路板的數位部份之
上時，才會出現數位信號對類比信號的干擾。出現這種問題並不是因為沒有分割地，真正
的原因是數位信號的佈線不適當。
PCB設計採用統一地，藉由數位電路和類比電路分區以及合適的信號佈線，通常可以解決
一些比較困難的佈局佈線問題，同時也不會產生因地分割帶來的一些潛在的麻煩。在這種
情況下，零組件的佈局和分區就成為決定設計優劣的關鍵。如果佈局佈線合理，數位地電
流將限制在電路板的數位部份，不會干擾類比信號。對於這樣的佈線必須仔細地檢查和核
對，要保証百分之百遵守佈線規則。否則，一條信號線走線不當就會徹底破壞一個設計優
良的電路板。
在將A/D轉換器的類比地和數位地管腳連接在一起時，大多數的A/D轉換器廠商會建議：將
AGND和DGND管腳藉由最短的引線連接到同一個低阻抗的地上(註：因為大多數A/D轉換器晶
片內部沒有將類比地和數位地連接在一起，必須藉由外部管腳實現類比和數位地的連接)
，任何與DGND連接的外部阻抗都會藉由寄生電容將更多的數位噪聲耦合到IC內部的類比電
路上。按照這個建議，需要把A/D轉換器的AGND和DGND管腳都連接到類比地上，但這種方
法會產生諸如數位信號去耦電容的接地端應該接到類比地還是數位地的問題。
如果系統僅有一個A/D轉換器，上面的問題就很容易解決。如圖3中所示，將地分割開，在
A/D轉換器下面把類比地和數位地部份連接在一起。採取該方法時，必須保証兩個地之間
的連接橋寬度與IC等寬，並且任何信號線都不能跨越分割間隙。
如果系統中A/D轉換器較多，例如10個A/D轉換器怎樣連接呢？如果在每一個A/D轉換器的
下面都將類比地和數位地連接在一起，則產生多點相連，類比地和數位地之間的隔離就毫
無意義。而如果不這樣連接，就違反了廠商的要求。
最好的辦法是開始時就用統一地。如圖4所示，將統一的地分為類比部份和數位部份。這
樣的佈局佈線既滿足了IC元件廠商對類比地和數位地管腳低阻抗連接的要求，同時又不會
形成環路天線或偶極天線而產生EMC問題。
如果對混合信號PCB設計採用統一地的做法心存疑慮，可以採用地線層分割的方法對整個
電路板佈局佈線，在設計時注意盡量使電路板在後邊實驗時易於用間距小於1/2英寸的跳
線或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區和佈線，確保在所有的層上沒有數位信號
線位於類比部份之上，也沒有任何類比信號線位於數位部份之上。而且，任何信號線都不
能跨越地間隙或是分割電源之間的間隙。要測試該電路板的功能和EMC性能，然後將兩個
地藉由0歐姆電阻或跳線連接在一起，重新測試該電路板的功能和EMC性能。比較測試結果
，會發現幾乎在所有的情況下，統一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更優越。
分割地的方法還有用嗎？
在以下三種情況可以用到這種方法：一些醫療設備要求在與病人連接的電路和系統之間的
漏電流很低；一些工業過程控制設備的輸出可能連接到噪聲很大而且功率高的機電設備上
；另外一種情況就是在PCB的佈局受到特定限制時。
在混合信號PCB板上通常有獨立的數位和類比電源，能夠而且應該採用分割電源面。但是
緊鄰電源層的信號線不能跨越電源之間的間隙，而所有跨越該間隙的信號線都必須位於緊
鄰大面積地的電路層上。在有些情況下，將類比電源以PCB連接線而不是一個面來設計可
以避免電源面的分割問題。
混合信號PCB設計是一個複雜的過程，設計過程要注意以下幾點：
1.將PCB分區為獨立的類比部份和數位部份。
2.合適的零組件佈局。
3.A/D轉換器跨分區放置。
4.不要對地進行分割。在電路板的類比部份和數位部份下面敷設統一地。
5.在電路板的所有層中，數位信號只能在電路板的數位部份佈線。
6.在電路板的所有層中，類比信號只能在電路板的類比部份佈線。
7.實現類比和數位電源分割。
8.佈線不能跨越分割電源面之間的間隙。
9.必須跨越分割電源之間間隙的信號線要位於緊鄰大面積地的佈線層上。
10.分析返回地電流實際流過的路徑和方式。
11.採用正確的佈線規則。
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作者簡介:
Henry W.Ott現任Henry Ott諮詢公司總裁和首席諮詢顧問。
Henry W.Ott具紐約大學電子工程專業碩士學位，曾任AT&T貝爾實驗室的技術工程師，在
EMC領域有30多年的實務經驗。
發表於 : 週二 5月 21, 2002 1:32 am
不知道這樣對嗎？:aa:
