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硬件开发

数模混合电路抗干扰


数模混合电路的PCB抗干扰设计

现代电子产品中,许多PCB模块不再是单一的功能电路,更多地出现了由数字电路和模拟电路混合构成的模块。数据由模拟电路接收采集取得,而在数字电路中实现数字化的控制处理。所以一块PCB上同时出现的数字电路和模拟电路之间的电磁兼容(EMC)问题也就必然出现,电磁干扰(EMI)成为了电路设计的难点。要更大程度地消除其影响,电路板的抗干扰就显得十分重要。

印制板抗电磁干扰设计能提高线路本身的抗干扰能力,减少电磁辐射,从而保证电路系统工作的可靠性,保证设备电磁兼容性。在印制板上直接采用抗EMI设计,比在其他方面采取措施更具可靠性、稳定性、经济性。

一、PCB干扰的产生

电路系统的EMI主要来源于电压的快速变化和信号回流。

模拟信号对噪声相对数字信号要更敏感,因为模拟电路工作依靠连续变化的电压电流,从电源和地线上传导的干扰都能影响其正常工作,数字电路工作时对于设定好的逻辑电平进行高低的比较和检测,具有一定抗干扰能力。在混合电路中数字信号相对于模拟信号是一种噪声源。数字电路工作时,稳定的有效电压只有高低电平两种,当数字器件输出电压变化时,器件内部的开关管会产生开关电流。数字电路的速度越快,开关时间也就越短,当大规模数字电路有多个管脚同时发生电平变化时,会在回路中产生电流尖峰信号。数字电路造成的这种电流扰动,如果通过电路传导耦合到模拟电路中,将会影响模拟电路的正常工作。

所以,电压的快速变化是EMI产生的源头,而信号回流的路径则是EMI产生的环境。由电源和地之间的阻抗和分布电感引起的EMI,按照公式Er=IR和EL=L(di/dt),电流变化速率越快,分布电感产生的感应电压就越大,高速电路设计时,由于时钟、信号等频率较高,电流变化快,所以di/dt较大,由此而产生大范围的高频电流,从而激励器件和线缆辐射,EMI问题就会更加明显。

二、混合电路PCB的抗干扰设计

传统设计将模拟电路和数字电路严格区分,然而在高速数模混合电路中,最好是采用多点接地,使用大面积的电源和地平面,以便为电源去耦提供低阻抗。而如何消除模拟信号和数字信号之间的干扰成了硬件设计的关键点之一。印制板设计时,布局、布线、内电层分割的设计规则应作为基本设计准则加以应用。

2.1印制板的布局

印制板相近传输线上的信号之间由于电磁场的相互耦合而发生串扰,元器件的合理放置可以大大减小EMI问题。例如,敏感器件应远离高增益放大器的输出;开关电源模块既要远离敏感器件,又要远离高增益放大器电路;模拟电路和数字电路要分开放置,避免出现交错;模数转换器件则要放置在模拟电路和数字电路分区的交界处。根据频率和类型分割PCB上的电路,要仔细选择时钟电路的位置,避免出现过长的时钟信号布线。通常的做法是按照信号流向安排各个功能模块,使布局便于信号流通,并尽可能保持信号方向一致。

2.2印制板布线

在信号频率>10MHz的情况下,印制板上的布线、过孔、器件封装等都会引起不可忽略的分布电感和电容。当布线长度大于噪声频率相应波长的1/20时,则会产生天线效应,噪声会通过印制线向外辐射。信号线上的过孔会引起大约0.5pF的电容,器件的封装材料本身也有可能引入大约2~6pF的电容,这些小的分布参数在高速电路中的作用不容忽视。

PCB设计时,电源、地的过孔应尽可能靠近器件的相应引脚,加粗电源线和地线宽度能减少环路电阻,同时应尽量使电源和地线走向和数据方向基本一致,有助于增强抗干扰能力。采用较窄的印制线(4~8mil)能增加高频阻尼和降低电容耦合。布线时要避免大的电流环路面积。采用多点接地使高频地阻抗更低。布线时应避免90°拐弯,因为90°拐弯会增加电容并导致传输线特性阻抗发生变化。保持相邻线迹之间的间距大于线迹的宽度能使串扰最小。

2.3电源平面层的分割

为了提高不同电源之间的隔离度,使得数字部分的干扰尽可能少地传递到模拟信号部分,必须进行电源平面的分割。但是不恰当的分割也会造成信号回流路径不完整,影响数字信号的完整性。因此,电源平面层分割的原则是,要看分割后的信号回流路径是否被增大,回流信号对其他信号的干扰是否会增大。如果有条件,可以将电源平面分层设置,因为电源分层,出现信号跨平面层分割的情况会大大降低,能有效提高信号质量。

综合以上3个方面,在高速数模混合PCB实际设计当中,应当遵从以下几个要点:(1)将PCB区分为相对独立的模拟和数字部分;(2)元器件布局时区分模拟和数字部分;(3)只保留统一的地,模拟电路和数字电路使用公共地平面;(4)所有层中,模拟信号在电路板模拟部分布线,数字信号在数字部分布线,电路中的电流环路应保持最小;(5)电源线和地线应相互接近;(6)布线尽量不跨越分割电源间的间隙,如果不可避免地要跨分割电源布线,那么尽量将信号线布在紧邻大面积地平面的走线层上。

三、PCB抗干扰设计实例

以某种信号处理板为例,板子要安装两片模数转换芯片,该器件本身同时有模拟电路和数字电路两部分,分别使用模拟3.3V电源和数字3.3V电源,对这两个器件的PCB设计采用了以下方法:(1)首先是器件的布局,模数转换器件尽可能靠近模拟信号在电路板边缘的输入插座,与为其提供模拟电源的芯片一起组成一个模拟电路部分,独立于其他数字器件摆放,如图1所示。(2)地层的设计遵从一个地平面的原则,将模拟地和数字地引脚全部连接到同一地平面,引线要尽量的短。在数字器件和模拟信号线之间对地层进行了不闭合的隔离,约束信号返回电流的流向,避免模拟信号电流和数字信号电流相互影响。(3)在两个电源层分别分割模拟电源和数字电源,将数字电源和模拟电源尽可能隔离,如图2所示。(4)添加高频低电感陶瓷去耦电容,去耦电容可以消除高频噪声,容值的选择与噪声频率有关,一般可以用C=1/F计算,多数选用0.1μF或0.01μF的多层陶瓷电容,大约5片以上需要加装一个钽电容作为蓄能电容。

四、PCB抗干扰设计效果及分析

以上述印制板为例,经过上述设计,模数转换器前端输入的采样时钟和模拟信号在实际使用时的信号传输基本没有受到数字信号的干扰,达到了设计要求。

数模混合电路的PCB设计是一个较为复杂的过程,器件布局布线和电源地平面层的处理都能影响到电路性能,尽管这只是EMC设计中的一部分。通常采用以上抗干扰措施,就能有效消除电路之间的电磁干扰。设计时遵从一定的规则,就能使设计的PCB更好地达到使用要求。

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