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。
我們采用分割方法,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。
例如設計音響產品時,有的工程師遇到低噪問題,往往是由于用單端輸入接法。例如INN接信號,INP通過電容接GND。這個GND太過隨意,就近接地,而這個地很可能是大電流的回路,而引入了噪音。正確接法應該是從A點拉線到INP端。一般都有輸入電阻,建議將輸入電阻直接靠近A點,這樣走線就不容易有問題。
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,通常可以解決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。
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,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。
在混合信號PCB板上通常有獨立的數字和模擬電源,能夠而且應該采用分割電源面。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于緊鄰大面積地的電路層上。在有些情況下,將模擬電源以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設計是一個復雜的過程,設計過程要注意以下幾點:
1. 將PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分。
2.合適的元器件布局。
3.A/D轉換器跨分區放置。
4.不要對地進行分割。在電路板的模擬部分和數字部分下面敷設統一地。
5.在電路板的所有層中,數字信號只能在電路板的數字部分布線。
6.在電路板的所有層中,模擬信號只能在電路板的模擬部分布線。
7.實現模擬和數字電源分割。
8.布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于緊鄰大面積地的布線層上。
10.分析返回地電流實際流過的路徑和方式。
11.采用正確的布線規則。
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原文標題:音響中模擬地和數字地如何處理
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