如何对混合信号 PCB 进行电磁兼容性分区和版图设计

本文要点

在混合信号 PCB 中，需要将模拟和数字信号进行物理隔离，这一过程称为分区。

对混合信号 PCB 进行分区和合理设计版图有助于减少串扰和干扰。

混合信号 PCB 电磁兼容性的基本规则是：

使电流路径更靠近源头，并尽可能地紧凑，使回路面积尽可能小。

对一个系统只提供一个参考接地平面，否则，就相当于有意制造了一个偶极子天线。

设想这样一个高频转换器电路 PCB，其中的输入电压和电流是模拟信号。转换器中的开关随着数字时钟信号的应用开始切换。转换器中的电源电路是模拟的，控制电路是数字的。

转换器 PCB 是一种混合信号 PCB，因为它同时处理模拟和数字信号。在混合信号 PCB 中，需要在一个被称为“分区”的过程中以物理方式分离模拟信号和数字信号。

设计混合信号 PCB 是一项挑战，因为模拟和数字元件的电流、电压和额定功耗各不相同。但是，遵循一些基本设计规则将有助于简化混合信号 PCB 的分区和版图。

混合信号 PCB 更容易受到串扰的影响

设计师必须对混合信号 PCB 进行分区并仔细设计版图——

实现电磁兼容性 (EMC) 是混合信号 PCB 设计师非常关心的一个问题。当模拟和数字信号在没有隔离的情况下共存于一块 PCB 上时，它们很有可能会混在一起，造成串扰和电磁干扰。例如，数字逻辑接地电流会污染混合信号 PCB 上的低电平模拟信号。这可能会导致反馈回路错误、控制系统故障，以及输出波形中产生谐波。在这些情况下，混合信号 PCB 的电磁兼容性就会受到影响，导致产品的性能不佳。适当的分区和合理的版图有助于使数字和模拟信号保持隔离，防止它们相互干扰，进而大大减少串扰。

在对混合信号 PCB 进行分区和版图设计时，必须遵循两条规则：

1. 使电流路径更靠近源头，并尽可能地紧凑，使回路面积尽可能小。

2. 对一个系统只提供一个参考接地平面，否则，就相当于有意制造了一个偶极子天线。

这两条规则被视为混合信号 PCB 分区和版图设计的基本原则。下面，让我们进一步了解一下这两条黄金法则。

法则1. 保持局部、紧凑的电流路径

在 PCB 上流动的每个信号都会通过接地平面返回到源头。信号线和回流线在 PCB 上形成一个电流回路。根据上文提到的第一条规则，在铺设回流线时应使其与信号源相邻，形成最小的环路面积。

Q：为什么推荐这种设置，这样做为何会减少电磁干扰？

所有的回流电流都喜欢流经低阻抗路线。当回流线直接位于信号线下方时，电流回路的阻抗最低。当信号线及其回流线形成的环路很大时，就会形成一个高阻抗的路径。这是电流回路中的寄生电容和电感造成的。

当信号线和回流线距离较远时，寄生电容的值很高，增加了回路的阻抗。回路电感和电荷走过的距离也有关系，这进一步增加了路径的阻抗。当回路很大时，从源头离开的电荷要走很远才能到达地面。这会增加电流回路的电感，反过来又增加了阻抗。

当高频模拟信号流经高阻抗的大型电流回路时，它们会发出辐射并造成干扰。同样，低电平模拟信号在流经高阻抗电流回路时，更容易受到电磁干扰的影响。另外，信号线和回流线形成了一个环形天线，加剧了电磁干扰问题。因此我们希望让电流回路做到短小、局部和紧凑。

法则2. 需要单个参考接地平面

分割接地平面是隔离数字和模拟接地的一种方法。在这种方法中，接地平面之间是分离的，而且不可能在分割处布线。在这种接地平面彼此分离的 PCB 中，两个接地平面只在电源供电附近连接，形成一个大的电流回路，这不利于非敏感型电磁干扰的 PCB 设计。除此之外，模拟和数字接地平面处于不同的电位，铺设在这些平面上的长线会形成一个名副其实的偶极子天线，发出电磁辐射。

考虑到所有这些因素，对混合信号 PCB 进行分区是理想的做法。分区使参考接地平面保持共用。模拟信号在模拟部分布线，数字信号在数字部分布线，因此，信号各居其位。

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文章来源：Cadence楷登PCB及封装资源中心

审核编辑 黄宇