如何優化混合信號電路

著電子產品的功能變得日益復雜，混合信號越來越多地出現在工程師設計的產品中。雖然混合信號可以給設計帶來靈活性，但由于模擬和數字信號有著不同的頻率和幅度特性，因而工程師調試和測試產品的難度也增大了。本文介紹的地和電源的分區設計能優化混合信號電路的性能。
　　如何降低數字信號和模擬信號間的相互干擾呢？在設計之前必須了解電磁兼容(EMC)的兩個基本原則：第一個原則是盡可能減小電流環路的面積；第二個原則是系統只采用一個參考面。相反，如果系統存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線(注：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)；而如果信號不能通過盡可能小的環路返回，就可能形成一個大的環狀天線(注：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字地和模擬地分割開，這樣能實現數字地和模擬地之間的隔離。盡管這種方法可行，但是存在很多潛在的問題，在復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布線，一旦跨越了分割間隙布線，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，我們采用上述分割方法，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么呢？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模擬電流，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，模擬地和數字地通過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優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哪兒流過，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線層進行分割，而且必須通過分割之間的間隙布線，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，然后通過該連接橋布線。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。
　　采用光隔離器件或變壓器也能實現信號跨越分割間隙。對于前者，跨越分割間隙的是光信號；在采用變壓器的情況下，跨越分割間隙的是磁場。還有一種可行的辦法是采用差分信號：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。
　　要深入探討數字信號對模擬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)，直接位于信號下方的路徑，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于使用統一地，而將PCB分區為模擬部分和數字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區內布線，而數字信號在數字電路區內布線。在這種情況下，數字信號返回電流不會流入到模擬信號的地。
　　只有將數字信號布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線在電路板的數字部分之上時，才會出現數字信號對模擬信號的干擾。出現這種問題并不是因為沒有分割地，真正的原因是數字信號的布線不適當。
　　PCB設計采用統一地，通過數字電路和模擬電路分區以及合適的信號布線，通?？梢越鉀Q一些比較困難的布局布線問題，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，元器件的布局和分區就成為決定設計優劣的關鍵。如果布局布線合理，數字地電流將限制在電路板的數字部分，不會干擾模擬信號。對于這樣的布線必須仔細地檢查和核對，要保證百分之百遵守布線規則。否則，一條信號線走線不當就會徹底破壞一個本來非常不錯的電路板。
　　在將A/D轉換器的模擬地和數字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管腳通過最短的引線連接到同一個低阻抗的地上(注：因為大多數A/D轉換器芯片內部沒有將模擬地和數字地連接在一起，必須通過外部管腳實現模擬和數字地的連接)，任何與DGND連接的外部阻抗都會通過寄生電容將更多的數字噪聲耦合到IC內部的模擬電路上。按照這個建議，需要把A/D轉換器的AGND和DGND管腳都連接到模擬地上，但這種方法會產生諸如數字信號去耦電容的接地端應該接到模擬地還是數字地的問題。
　　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

　　
　　圖中所示，將地分割開，在A/D轉換器下面把模擬地和數字地部分連接在一起。采取該方法時，必須保證兩個地之間的連接橋寬度與IC等寬，并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轉換器的下面都將模擬地和數字地連接在一起，則產生多點相連，模擬地和數字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

　　
　　如圖所示，將統一的地分為模擬部分和數字部分。這樣的布局布線既滿足了IC器件廠商對模擬地和數字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設計采用統一地的做法心存疑慮，可以采用地線層分割的方法對整個電路板布局布線，在設計時注意盡量使電路板在后邊實驗時易于用間距小于1/2英寸的跳線或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區和布線，確保在所有的層上沒有數字信號線位于模擬部分之上，也沒有任何模擬信號線位于數字部分之上。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，然后將兩個地通過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。