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印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件,它供给电路元件和器件之间的电气连接。现在有许多PCB 不再是单一功能电路,而是由数字电路模拟电路混杂构成的。数据一样平常在模拟电路中采集和接管,而带宽、增益用软件实现节制则必须数字化,以是在一块板上常常同时存在数字电路和模拟电路,以致共享相同的元件。斟酌到它们之间的互相滋扰问题以及对电路机能的影响,电路的结构和布线必须要有必然的原则。混杂旌旗灯号PCB 设计中对电源传输线的特殊要求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求,增添了设计时结构和布线的繁杂度。在此,经由过程阐发高密度混杂旌旗灯号PCB 的结构和布线设计,来达到要求的PCB 设计目标。

1 数模混杂电路滋扰的产活力理

模拟旌旗灯号与数字旌旗灯号比拟,对噪声的敏感程度要大年夜得多,由于模拟电路的事情依附继续变更的电流和电压,任何微小的滋扰都能影响它的正常事情,而数字电路的事情依附在接管端根据预先定义的电压电平或门限对高电平或低电平的检测,具有必然的抗滋扰能力。但在混杂旌旗灯号情况中,数字旌旗灯号相对模拟旌旗灯号而言是一种噪声源。数字电路事情时,稳定的有效电压只有上下电平两种电压。当数字逻辑输出由高电压变为低电压,该器件的接地管脚就会放电,孕育发生开关电流,这便是电路的开关动作。数字电路的速率越快,其开关光阴一样平常也要求越短,昔时夜量的开关电路同时由逻辑高电平变为逻辑低电日常平凡,因为地线经由过程电流的能力不敷,大年夜量的开关电流就会引起逻辑地电压发生颠簸,我们称为地弹。如图1 所示。数字电路造成的地弹噪声和电源扰动,假如耦合到模拟电路中,就会影响模拟电路的事情机能。因为相称多的滋扰源是经由过程电源和地总线孕育发生的,此中地线引起的噪声滋扰最大年夜,以是在PCB 设计时对地和电源的设计就显得尤为紧张。

2 数模混杂电路PCB 设计的一样平常处置惩罚原则

上面讲了混杂电路滋扰的产活力理,那么若何低落数字旌旗灯号和模拟旌旗灯号间的互相滋扰呢?在设计之前必须懂得电磁兼容(E M C )的两个基滥觞基本则:第一个原则是尽可能减小电流环路的面积,假如旌旗灯号不能经由过程尽可能小的环路返回,就可能形成一个大年夜的环状天线。第二个原则是系统只采纳一个参考面,相反,假如系统存在两个参考面,就可能形成一个偶极天线。在设计中要尽可能避免这两种环境。

(1 )结构布线原则。元器件结构首先要斟酌的一个身分便是将模拟电路部分与数字电路部分器件分开放置,模拟旌旗灯号在电路板所有层的模拟区内布线,而数字旌旗灯号在数字电路区内布线。在这种环境下,数字旌旗灯号返回电流不会流入到模拟旌旗灯号的地。对付一些频率高有特殊要求的线最能手工布线,需要时走差分线或樊篱线。无意偶尔因为输入/ 输出连接器位置的缘故,必须把数字和模拟电路的布线混杂在一路,这样就很有可能造成模拟部分和数字部分电路的互相影响。这就要避免在左近模拟电源层的地方走数字时钟线和高频模拟旌旗灯号线,否则,电源旌旗灯号的噪声将耦合到敏感的模拟旌旗灯号之中。要设法实现低阻抗的电源和地收集,应只管即便减小数字电路导线的感抗,只管即便低落模拟电路的电容耦合。数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对旌旗灯号线来说,高频的数字旌旗灯号线尽可能阔别敏感的模拟电路器件。

(2 )电源和地的处置惩罚。在繁杂混杂电路板的设计中,接地线的结构和处置惩罚是改良电路机能的紧张身分。有人建议将混杂旌旗灯号电路板上的数字地和模拟地瓜分开,以实现数字地和模拟地之间的隔离。但这种措施每每会超过瓜分间隙布线,这样会引起电磁辐射和旌旗灯号串扰急剧增添。

懂得电流回流到地的路径和要领是优化混杂旌旗灯号电路板设计的关键。假如必须对地线层进行瓜分,而且必须经由过程瓜分之间的间隙布线,可以先在被瓜分的地之间进行单点连接,形成两个地之间的连接桥,然后经由过程该连接桥布线,如图2 所示。

这样,在每一个旌旗灯号线的下方都能够供给一个直接的电流回流路径,或者采纳光隔离器件、变压器等也能实现旌旗灯号超过瓜分间隙。但实际事情中PCB设计倾向于采纳统一地,经由过程数字电路和模拟电路分区以及相宜的旌旗灯号布线,平日可以办理一些对照艰苦的结构布线问题,同时也不会孕育发生因地瓜分带来一些潜在的麻烦。经由过程对照电路板测试结果,也会发明统一地的规划在功能和EMC 机能方面比瓜分地更良好。

在混杂旌旗灯号PCB 板上平日有自力的数字和模拟电源,应该采纳瓜分电源面,最好紧邻地平面且在地平面下。电源平面可能向空间可附件的电路耦合射频电流,为了减小这种耦合和记娱乐App效应,要求电源平面物理上都比其相邻的地平面小20H(H 指电源和地平面层的间隔)。

(3 )对付混杂器件的处置惩罚。平日的混杂器件有晶振,高速A D 器件等,在器件内部同时稀有字电路和模拟电路两部分。一样平常将AGND 和DGND 引脚在外部都要连接到同一低阻抗的模拟地平面,而且引线要求只管即便短,任何DGND 额外的阻抗都邑经由过程寄生电容将更多的数字噪声耦合到器件内部的模拟电路中和记娱乐App。当然这样做会使得转换器内部的数字电流流入模拟接地平面,但这样要比把转换器件的DGND 脚接到噪声数字接地平面带来的滋扰要小得多。同接地一样,模拟和数字电源引脚也应该连接到模拟电源平面,并且要尽可能接近每个电源引脚连接适当的旁路电容。需要环境下应将模拟电源引脚与数字电源引脚用跨接电感的要领隔离。

(4 )添加去耦电容。去耦电容可以打消高频滋扰,因为电容器的容抗与频率成反比,是以将电容并联在旌旗灯号与地线之间就起到对高频噪声的旁路感化。原则上将每个集成芯片都加上一个0.01mF~ 0.1mF 的陶瓷片电容,不仅能使芯片存储能量,供给和接受该芯片的电路开门和关门瞬间的充放电能,还能旁途经滤掉落该器件的高频噪声因素。在电源输入端加上一个10mF~100mF 的电解电容(最好是钽电容),可以抑制电源的噪声滋扰,当然加入的电容引线不能太长,由于电容的引线长度是一个十分紧张的参数,引线越长,则感应电感越大年夜,电容的谐振频率就越低,对高频噪声的频率过滤感化就会减弱,以致消掉,是以在高速PCB 板设计时,要分外留意使电容器的引线只管即便短,也便是使得电容尽可能地接近芯片。

(5 )大年夜面积覆铜箔接模拟地。在模拟电路部分覆大年夜面积铜箔并在空缺区域钻密集的孔接到模拟地,这样可以起到樊篱隔离感化,从而削减模拟旌旗灯号之间的互相滋扰,而且还可以起到散热感化。

如图3 所示。

图3 铜箔钻孔接模拟地

(6 )电源线和地线要只管即便短粗,尤其是跨接数字电源和模拟电源的磁珠上的线必然要加和记娱乐App粗,由于除减小压降外,更紧张的是低落耦合噪声。

3 混杂电路的PCB 设计实例

图4 是一块设计好的有32 通道数字接管和转换的范例的数模混杂电路的20 层电路板。最高频率是高速光纤旌旗灯号达到2.5GHz.

此印制板结构上将模拟电路与数字电路分开,且每路通道之间也完全自力有必然距离间隔以包管每个通道模拟旌旗灯号之间不会互相滋扰。模拟电路只管即便接近电路板边缘放置,数字电路只管即便接近电源连接端放置,这样做可以低落由数字开关引起的di/dt效应。

在电源和地的划分上,此印制板模拟旌旗灯号都走在外面层,而且尽可能走的短、少钻孔。紧邻模拟旌旗灯号的第二层和第十九层都是完备的统一的模拟地平面,这样包管模拟旌旗灯号有最佳的回流路径和阻抗,也不会呈现跨瓜分地呈现E M I 问题。高速旌旗灯号层紧邻地平面层,紧张旌旗灯号线走带状线,并且对付时钟、复位敏感旌旗灯号线走第三层,在两地平面之间。数字电源和模拟电源都有自力的层面,都进行了瓜分,但每个电源层也都紧邻地平面层。

高速的A/D 混杂器件在板上即器件外接的地引脚都接模拟地,电源引脚都接模拟电源,并且在电源引脚左右都添加去耦电容来打消高频滋扰,如图5 所示。跨接电源或地的磁珠电感上的线要加粗,最很多多少连几根旌旗灯号线钻孔接到电源或地平面,这样可以减小了压降,低落了噪声,如图6 所示。

无意偶尔采纳钻大年夜的过孔接到平面也可以达到要求。

高频旌旗灯号线颠末严格节制线宽和线间距,使其达到阻抗要求,都采纳手工布线,着末在模拟电路部分覆大年夜面积铜箔空和记娱乐App缺区域钻密集的孔以接到模拟地。

此印制板上100M 的时钟旌旗灯号线颠末设计软件仿真阐发,如图7 所示,旌旗灯号传输基础没有受到滋扰,达到电讯要求。临盆的印制板颠末调试显示,数字旌旗灯号对模拟旌旗灯号的滋扰很小,参数指标优越。

4 停止语

混杂电路PCB 设计是一个繁杂的历程,元器件的结构、布线以及电源和地线的处置惩罚将直接影响到电路机能和电磁兼容机能,设计时要遵照必然的布线规则,才能使设计的PCB 板和记娱乐App达到设计要求。

责任编辑;zl

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