深圳市组创微电子有限公司
销售部:15338833908采购部:0755-8299 4126行政部:0755-8299 4126
咨询电话
0755-8299 4141

硬件开发

混合电路PCB设计


PCB设计正在成为整个电子设计工艺中的焦点,现在有许多PCB不再是单一功能电路,而是由数字电路和模拟电路混合构成的。在一块板卡同时存在数字电路和模拟电路,甚至共享相同的元件,考虑到它们之间的相互干扰问题及对电路性能的影响,电路的布局和布线必须讲究方法。在此,通过透彻分析高密度、高性能、混合信号PCB的布局和布线设计,来达到要求的PCB设计目标。混合信号PCB设计中对电源传输线的特殊需求以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求,增加了混合信号PCB的布局和布线的复杂性。

一、混合电路干扰的产生机理和途径

模拟信号与数字信号相比,对噪声的敏感程度要大得多,因为模拟电路的工作依赖连续变化的电流和电压,任何微小的干扰都能影响它的正常工作,而数字电路的工作依赖在接收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,它相当于判断逻辑状态的“真”或“假”,具有一定的抗干扰能力。

因此,在混合信号环境中,数字电路相对模拟信号而言是一种噪声源。数字电路工作时,稳定的有效电压只有高低电平两种电压。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,产生开关电流,这就是电路的开关动作。数字电路的速度越快,其开关时间一般也要求越短,当大量的开关电路同时由逻辑高电平变为逻辑低电平时,由于地线通过电流的能力不够,大量的开关电流就会引起逻辑地电压发生波动,我们称为地弹。系统电源在给系统提供能源的同时,也会将其寄生的干扰噪声加到了供电电路上。数字电路造成的地弹噪声和电源扰动,如果耦合到模拟电路中,就会影响模拟电路的工作性能。由于相当多的干扰源是通过电源和地总线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大,所以在PCB设计时对地和电源的设计就显得尤为重要。笔者以某信号处理系统的PCB设计为实例,讨论混合电路PCB设计的布局和布线准则。

二、混合电路PCB设计的一般处理原则

(1)布局布线原则在布局或布线之前,要仔细考虑混合电路PCB上所有特殊电源的布线细节。与大多数成功的高密度布局和布线方案一样,布局要满足布线的要求,布局和布线的要求必须互相兼顾。有时由于输入/输出连接器位置的缘故,必须把数字和模拟电路的布线混合在一起,这样就很有可能造成模拟部分和数字部分电路的相互影响。避免在邻近模拟电源层的地方走数字时钟线和高频模拟信号线,否则,电源信号的噪声将耦合到敏感的模拟信号之中。数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对信号线来说,高频的数字信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。

(2)使用电源和地平面代替电源线和地线以减小阻抗地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压。这就是地线噪声。在这个电压的驱动下,会产生地线环路电流,形成地环路干扰。在多层板内用专用的电源层和地线层来代替印制导线,层的平面电感大大小于导线电感,从而降低了阻抗;对电源的处理也是如此。此外,尽量增加与电源、地相连接的导线宽度,减少环路电阻。

(3)尽量使用高精度的稳态电源以保持输入电源的稳定。

(4)使电源线、地线的走向和信号传递的方向保持一致有助于增强抗噪声能力。

(5)分离数字地和模拟地为了避免数字信号耦合到模拟电路中去,数字地和模拟地通常要分开,只在一点会合。从芯片上的焊点到封装引脚的连线会产生引脚电感和电阻。快速变换的数字电流在某点产生一个电压,经过杂散电容必然耦合到模拟电路某处。为了防止进一步的耦合,芯片模拟地和数字地的外部引脚应用最短的连线接到同一个低阻抗的接地平面上。

(6)对于混合器件的处理通常的混合器件有晶振,高速ADC器件,即在器件内部同时有数字电路和模拟电路两部分。大多数这种接地引脚有AGND和DGND之分。在把这两个接地引脚短接后应接在同一个地平面上。正确的做法是将混合器件作为一个整体,按照模拟器件来处理,所以将AGND和DGND短接后应该接在模拟地。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干扰要小得多。同接地一样,将电路中的模拟部分和数字部分的电源线(最好是电源平面)分开,我们将数字电源按模拟电源处理。必要情况下应将模拟电源引脚与数字电源引脚用跨接电感的方式隔离。

(7)添加去耦电容去耦电容可以消除高频干扰,由于电容器的容抗与频率成反比,因此将电容并联在信号与地线之间就起到对高频噪声的旁路作用。原则上将每个集成芯片都加上一个0.01~0.1 mF的陶瓷片电容,不仅能使芯片存储能量,提供和吸收该芯片的电路开门和关门瞬间的充放电能,还能旁路掉该器件的高频噪声成分。在电源输入端加上一个10~100mF的电解电容(最好是钽电容),可以抑制电源的噪声干扰,当然加入的电容引线不能太长,因为电容的引线长度是一个十分重要的参数,引线越长,则感应电感越大,电容的谐振频率就越低,对高频噪声的频率作用就会减弱,甚至消失,因此在高速PCB板设计时,要特别注意使电容器的引线尽量短,也就是使得电容尽可能地靠近芯片,这一点很容易被忽视。

三、混合电路PCB设计实例

通常许多芯片分销商对提供高质量的布板在数据手册说明中有一些比较好的建议,例如严格的时间限制,器件的信号完整性设计要求。根据数据手册的要求并与封装中每条电源和接地引脚的特定要求相结合,就可以开始对芯片进行布局布线。下面是在某系统设计中涉及的混合电路部分进行具体的分析。在这个板卡上大部分都是数字器件,模拟器件仅占小部分,但是他们都是和时钟有关的关键部分,如果他们的正常工作受到影响,将对整个系统的性能造成极大的破坏作用,因此对这些部分的处理是非常关键的。我们希望将数字部分和模拟部分完全分割,这样数字部分的噪声就不容易通过公共地线或电源线影响模拟部分的工作。实际上,在处理这种分割时,还要考虑到模拟器件与数字器件之间是否有信号相连,这些信号的回流是否会受到分割的阻碍,来决定是否要进行完全分割或不完全分割。

此板上的模拟电路主要有两片锁相环时钟产生器(S4402和ICS663)及其外围电路构成,这两个部分电路的处理根据其数模信号管脚分布的情况,采用的办法是不一样的。对于S4402采用的是数字电源和地与模拟电源和地的完全分割,ICS663则采用不完全分割。以下对这两部分电路进行分析。

3.1芯片介绍

S4402是AMCC公司的一种锁相环时钟产生器,28脚PLCC封装,单端+5 V供电,内部的锁相环的压控振荡器工作在160~320 MHz频率上,可以产生六个20~80 MHz的时钟输出,在时钟输出上有21种可以选择的相位和频率关系。

3.2两芯片外围电路的PCB设计

S4402的模拟部分和数字电源部分通过分离来最小化模拟电源输入端的噪声,通常使用简单的外部电源滤波网络来达到这一目的,其PCB的设计如图1所示,模拟电源涂敷通过磁珠(I1和I2)与数字电源涂敷相连,磁珠在10MHz左右具有75W的阻抗。对于去噪声非常重要的去耦电容必须有低引线电感才能有效,因此通常使用瓷片电容。去耦电容和电源管脚尽可能地靠近。去耦应该放在板的上表面,位于器件与电源涂敷和地涂敷相连的部分之间。这样,在模拟地和模拟电源之间用到了两个瓷片电容(C2、C3),一个钽电容(C4),瓷片电容较小,提供信号回流通路,钽电容较大,用于滤除高频噪声,图中模拟信号沿R1、C1流动,回流通过信号下方的模拟地平面和耦合电容C2、C3回到电源处,保证了模拟信号封闭在模拟部分流动,磁珠I1跨接在数字电源和模拟电源之间、I2跨接数字地和模拟地之间,铁氧体磁珠可以等效为随频率变化的电阻和电感的串联,在低频段,电感起主要作用,在高频段,电阻的影响起主要作用,并随频率升高而增加,电感却随频率升高反而降低,因此对高频分量起到较大的衰减作用,而对直流或低频分量几乎没有衰减,由于我们通常认为在电源和地的噪声一般都是高频的,这样磁珠阻止了数字部分的噪声通过这个唯一的通路影响模拟部分,从而保证了模拟和数字的完全分割。由于干扰电流在连接线上是有一定分布的,因此,铁氧体磁珠应该放在电流较高的位置上,一般应放在连接线的引出处。在S4402的使用手册中要求这两个磁珠与芯片相距不能超过7.6 mm,图中I1、I2和芯片的距离在1.3 mm以内,完全符合使用要求。

图 1 模拟和数字部分的完全分割

ICS663与S4402的不同之处在于S4402本身就具有数字电源管脚,数字地管脚,模拟电源管脚,模拟地管脚,其模拟信号和数字信号的供电就是分开的,而ICS663的数字信号和模拟信号共用一个电源管脚,如果我们从芯片下面的地平面上进行数字和模拟部分的分割,就无法兼顾两个部分的回流,因此,这块地平面应该将整个芯片包括进去,同时,考虑到三个时钟信号(FBIN,CLK,REFIN)和FPGA相连,如果将数字和模拟地完全分割,那么这三个时钟的回流通路就受到影响,解决的办法是将模拟地和数字地在物理上进行不完全分割,这个相连的部分通常称为“桥”,如图2所示,这样,时钟的回流就可以通过桥来直接返回,避免了绕圈寻求返回路径而造成对其它信号的干扰。为了避免产生漏感相位噪声,选择低漏类型的瓷片电容,不要使用电解电容或极性电容。

图 2 模拟和数字部分的不完全分割

总结

通过分析混合电路PCB设计的重要性及噪声产生机理,提出了一些抑制EMI保证电路正常工作的基本原则,在文中所列的两个混合电路实例中,根据数模混合器件的个体差异,提出了两种不同的电源和地的分割方案,实际电路板测试表明,这样的处理保证了电路的正常工作,较好地解决了混合电路间的耦合问题。

以上就是我们深圳市组创微电子有限公司为您介绍的混合电路的PCB设计技术详情。如果您有智能电子产品的软硬件功能开发需求,可以放心交给我们,我们有丰富的电子产品定制开发经验,可以尽快评估开发周期与IC价格,也可以核算PCBA报价。我们是多家国内外芯片代理商:松翰、应广、杰理、安凯、全志、realtek,有MCU、语音IC、蓝牙IC与模块、wifi模块。我们的拥有硬件设计与软件开发能力。涵盖了电路设计、PCB设计、单片机开发、软件定制开发、APP定制开发、微信公众号开发、语音识别技术、蓝牙wifi开发等。还可以承接智能电子产品研发、家用电器方案设计、美容仪器开发、物联网应用开发、智能家居方案设计、TWS耳机开发、蓝牙耳机音箱开发、儿童玩具方案开发、电子教育产品研发。

使用该技术的解决方案

  • 返回顶部