几种混合PCB布局技巧

为了最大限度地减少模拟和数字信号的公共返回路径，要将模拟和数字模块分开，防止模拟信号与数字信号混合。

模拟和数字电路分离

上图显示了模拟和数字电路分离的一个示例。在划分模拟部分和数字部分时，应牢记以下几点：

• 建议在模拟平面安装精密的模拟元件，例如放大器和基准电压源。另一侧/数字平面必须用于噪声数字组件，例如逻辑控制和定时块。

• 系统中的模数转换器 (ADC) 或数模转换器 (DAC) 是混合信号且具有低数字电流，其处理方式与模拟组件在模拟系统中的处理方式类似。

• 对于具有大量高电流 ADC 和 DAC 的设计，建议将模拟电源和数字电源分开。换句话说，DVDD应该连接到数字部分，而AVCC必须连接到模拟部分。

• 微处理器和微控制器产生的空间和热量可能很大。为了改善散热，这些组件必须放置在电路板的中心，并且必须靠近它们要连接的电路块。

将所有组件正确放置在最佳位置并建立适当的接地平面后，大多数路线自然会遵循正确的路径。但是，在跟踪路由时应牢记以下准则：

• 信号路径应尽可能直接且短

• 具有高速信号路径的层应有一个与其相邻的接地层，以确保正确的返回信号

• 高速电路特别敏感，需要遵循原理图中布置的信号路径

• 通过使用短、直接和宽的走线来减少电源布线中的电感

• 在布线走线和过孔时不要创建天线

• 电源布线应该短、紧凑并且应该有宽走线

• 布线需要保持数字和模拟电路元件之间的隔离

• 接地很重要，特别是对于连接数字和模拟分区区域的走线

电源是电路的重要组成部分，需要小心处理。一般来说，电源模块必须靠近其供电的组件，同时与电路的其余部分隔离。

当复杂系统中的设备具有许多电源引脚时，可以为模拟和数字部分使用专用电源模块，以防止噪声数字干扰。

为了减少电感并防止电流限制，电源线应短而直，并使用宽走线。

为了满足系统所需的性能，工程师必须考虑的关键因素之一是电源抑制比 (PSRR)。设备的性能最终由 PSRR 决定，PSRR 评估设备对电源变化的敏感度。

为了保持理想的 PSRR，需要防止高频能量进入器件。为此，使用电解电容和陶瓷电容的组合，可以有效地将器件电源与高阻抗接地层隔离。

有效去耦是为了在电路运行时有一个低噪声环境。基本规则是提供尽可能最短的路径，使电流更容易返回。

下面为一些通用解耦方法：

• 低电感陶瓷电容用于降低高频噪声，而电解电容则通过充当瞬态电流的电荷库来降低电源上的低频噪声。此外，铁氧体磁珠是可选的，但可以增强高频噪声的隔离和去耦。

• 去耦电容需要尽可能靠近器件的电源引脚放置。为了减少额外的串联电感，应使用过孔或短线将这些电容连接到低阻抗接地层的大部分。

• 器件的电源引脚应尽可能靠近器件。应使用较小的电容（通常为 0.01F 至 0.1F），这种配置避免了当多个输出同时切换时设备以不稳定的方式运行。电解电容与设备电源引脚之间的距离不应超过一英寸（平均10F至100F）。

• 可以使用靠近器件 GND 引脚的过孔将去耦电容T形连接到接地层，以简化结构而不是构建走线。

具体的可以看下图：

电源引脚的去耦技术

在PCB布线之前，要考虑好 PCB 的叠层，不然会影响系统设计允许的返回路径。

4 层 PCB 示例

上图显示了电路板各层的直观表示。下图详细介绍了典型 PCB 的设置：

典型 PCB图层

高性能数据收集系统通常应包含四层或更多层。辅助信号通常用在底层，而数字/模拟信号通常用在顶层。通过充当阻抗控制信号的参考层，第二层（也称为接地层）可降低 IR 压降并保护顶层的数字信号。电源层位于第三层。

由于它们提供了额外的层间电容，电源层和接地层必须彼此靠近，以便电源在高频下解耦。

铜的电阻在混合信号 PCB 布局中也很重要，铜走线可以形成良好的互连和接地层。

大多数 PCB 使用 1 oz 铜，但高功率部分可能使用 2 或 3 oz铜。25℃时铜的电阻率为1.724X10 -6 Ω/cm。

常见的1盎司铜箔厚度为0.036 mm（0.0014 in），电阻为0.48 mΩ/平方。例如，PCB 上常用的 0.25 mm（10 mil）宽走线的电阻/长度约为 19 mΩ/cm（48 mΩin）。

PCB 走线电阻可能是混合信号 IC 的误差源。对于具有 5 kΩ 输入电阻的 16 位 ADC，通过 5 cm 0.25 mm宽的 1 oz铜驱动，轨道电阻为 0.1 Ω，并与 5 kΩ 负载形成分压器，产生 0.1 的误差/5 k（约 0.0019%），高于 16 位的 1 LSB (0.0015%)，如下所示：

PCB 走线电阻是混合信号 PCB 中的一个重要因素

在实际应用中可能更严重，因为这忽略了返回路径和 25 °C 时铜的 0.4%/°C 温度系数。在处理低阻抗精密电路时，铜的电阻对于成功的设计至关重要。

最好的办法是对具有单个低数字电流 ADC 或 DAC 的混合信号系统使用单个实心接地层。

为了理解单个接地层的重要性，这里需要分析返回电流。术语“返回电流”描述了完成电路环路并流回地的电流。整个 PCB 布局中必须遵循每个返回路径，以避免混合信号干扰。

使用实心接地层的系统的返回电流

上图的简单电路说明了单个实心接地层相对于多个接地层的优势。存在与信号电流相等但相反的返回电流。当返回电流返回接地层中的源时，该返回电流将采用电阻最小的路径。

电阻最小的路线（通常是设备接地参考之间的直线）将跟随低频传输的返回电流。然而，一部分返回电流将尝试沿着信号通道返回以进行更高频率的传输。这是因为沿该通道的输出和返回电流之间产生的阻抗较低且环路较小。

另一种典型的策略是将接地层分为两半：模拟接地层和数字接地层。这适用于具有大量混合信号组件和高数字电流要求的更复杂的系统。下图显示了具有划分接地层的系统的图示。

使用分离接地层的系统的返回电流

消除接地层断裂并允许返回电流采取更直接的路径，通过星形接地结流回，是为具有单独接地层的系统实现整体接地的最简单方法。在混合信号布局中，模拟和数字接地层的交叉点称为星形接地。

星形接地可以连接到常见系统中模拟和数字接地层之间的典型薄连续连接。对于更复杂的系统，通常通过将跳线分流到接地连接来执行星形接地。

由于星形接地没有电流，因此不需要高载流接头和跳线分流器。星形接地的主要功能是保证两个接地的参考电平相同。

另一方面，由于星形接地还在一个位置连接两个接地，因此具有 AGND 和 DGND 引脚的混合信号器件可以连接到各自的接地层。这将精密的模拟电路与高噪声数字电流分开，这些电流通过数字电源，一直到达数字接地层，然后返回数字电源。

多层 PCB 必须实现 AGND 和 DGND 平面的完全隔离。

在解决了接地反弹、串扰、电源噪声和其他干扰之后，电路扔可能遭受电磁干扰或 EMI。这可能会导致各种问题，例如：

• 无线通信的干扰

• 通讯中断

• 传感器数据损坏

• 部件故障

• 软件错误和故障

处理 EMI 的有效方法之一是使用足够量的金属屏蔽。优选地，屏蔽应形成法拉第笼，从所有六个侧面和接地层覆盖电路。

尽管使用屏蔽可以阻止大部分传入的 EMI，还必须解决热冷却问题，并允许信号输入和输出。