如何降低數字信號和模擬信號間的相互干擾?

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(gè)基本原則：第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積;第二個(gè)原則是系統只采用一個(gè)參考面。相反，如果系統存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線(xiàn)(注：小型偶極天線(xiàn)的輻射大小與線(xiàn)的長(cháng)度、流過(guò)的電流大小以及頻率成正比);而如果信號不能通過(guò)盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線(xiàn)(注：小型環(huán)狀天線(xiàn)的輻射大小與環(huán)路面積、流過(guò)環(huán)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(kāi)，這樣能實(shí)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(wèn)題，在復雜的大型系統中問(wèn)題尤其突出。最關(guān)鍵的問(wèn)題是不能跨越分割間隙布線(xiàn)，一旦跨越了分割間隙布線(xiàn)，電磁輻射和信號串擾都會(huì )急劇增加。在PCB設計中最常見(jiàn)的問(wèn)題就是信號線(xiàn)跨越分割地或電源而產(chǎn)生EMI問(wèn)題。

如圖1所示，我們采用上述分割方法，而且信號線(xiàn)跨越了兩個(gè)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(gè)地在某處連接在一起(通常情況下是在某個(gè)位置單點(diǎn)連接)，在這種情況下，地電流將會(huì )形成一個(gè)大的環(huán)路。流經(jīng)大環(huán)路的高頻電流會(huì )產(chǎn)生輻射和很高的地電感，如果流過(guò)大環(huán)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(shí)，將形成一個(gè)非常大的電流環(huán)路。另外，模擬地和數字地通過(guò)一個(gè)長(cháng)導線(xiàn)連接在一起會(huì )構成偶極天線(xiàn)。

了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號電路板設計的關(guān)鍵。許多設計工程師僅僅考慮信號電流從哪兒流過(guò)，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線(xiàn)層進(jìn)行分割，而且必須通過(guò)分割之間的間隙布線(xiàn)，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地之間的連接橋，然后通過(guò)該連接橋布線(xiàn)。這樣，在每一個(gè)信號線(xiàn)的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很小。

采用光隔離器件或變壓器也能實(shí)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(chǎng)。還有一種可行的辦法是采用差分信號：信號從一條線(xiàn)流入從另外一條信號線(xiàn)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(huì )流過(guò)鄰近的電路層，而無(wú)論這個(gè)臨近層是電源層還是地線(xiàn)層。

在實(shí)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(xiàn)，而數字信號在數字電路區內布線(xiàn)。在這種情況下，數字信號返回電流不會(huì )流入到模擬信號的地。

只有將數字信號布線(xiàn)在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線(xiàn)在電路板的數字部分之上時(shí)，才會(huì )出現數字信號對模擬信號的干擾。出現這種問(wèn)題并不是因為沒(méi)有分割地，真正的原因是數字信號的布線(xiàn)不適當。

PCB設計采用統一地，通過(guò)數字電路和模擬電路分區以及合適的信號布線(xiàn)，通�？梢越鉀Q一些比較困難的布局布線(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì )產(chǎn)生因地分割帶來(lái)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(yōu)劣的關(guān)鍵。如果布局布線(xiàn)合理，數字地電流將限制在電路板的數字部分，不會(huì )干擾模擬信號。對于這樣的布線(xiàn)必須仔細地檢查和核對，要保證百分之百遵守布線(xiàn)規則。否則，一條信號線(xiàn)走線(xiàn)不當就會(huì )徹底破壞一個(gè)本來(lái)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(shí)，大多數的A/D轉換器廠(chǎng)商會(huì )建議：將AGND和DGND管腳通過(guò)最短的引線(xiàn)連接到同一個(gè)低阻抗的地上(注：因為大多數A/D轉換器芯片內部沒(méi)有將模擬地和數字地連接在一起，必須通過(guò)外部管腳實(shí)現模擬和數字地的連接)，任何與DGND連接的外部阻抗都會(huì )通過(guò)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(gè)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(huì )產(chǎn)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(wèn)題。

如果系統僅有一個(gè)A/D轉換器，上面的問(wèn)題就很容易解決。如圖3中所示，將地分割開(kāi)，在A(yíng)/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(shí)，必須保證兩個(gè)地之間的連接橋寬度與IC等寬，并且任何信號線(xiàn)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(gè)A/D轉換器怎樣連接呢?如果在每一個(gè)A/D轉換器的下面都將模擬地和數字地連接在一起，則產(chǎn)生多點(diǎn)相連，模擬地和數字地之間的隔離就毫無(wú)意義。而如果不這樣連接，就違反了廠(chǎng)商的要求。

最好的辦法是開(kāi)始時(shí)就用統一地。如圖4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(xiàn)既滿(mǎn)足了IC器件廠(chǎng)商對模擬地和數字地管腳低阻抗連接的要求，同時(shí)又不會(huì )形成環(huán)路天線(xiàn)或偶極天線(xiàn)而產(chǎn)生EMC問(wèn)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(xiàn)層分割的方法對整個(gè)電路板布局布線(xiàn)，在設計時(shí)注意盡量使電路板在后邊實(shí)驗時(shí)易于用間距小于1/2英寸的跳線(xiàn)或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區和布線(xiàn)，確保在所有的層上沒(méi)有數字信號線(xiàn)位于模擬部分之上，也沒(méi)有任何模擬信號線(xiàn)位于數字部分之上。而且，任何信號線(xiàn)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(gè)地通過(guò)0歐姆電阻或跳線(xiàn)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(huì )發(fā)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(yōu)越。

分割地的方法還有用嗎?

在以下三種情況可以用到這種方法：一些醫療設備要求在與病人連接的電路和系統之間的漏電流很低;一些工業(yè)過(guò)程控制設備的輸出可能連接到噪聲很大而且功率高的機電設備上;另外一種情況就是在PCB的布局受到特定限制時(shí)。

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(xiàn)不能跨越電源之間的間隙，而所有跨越該間隙的信號線(xiàn)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(xiàn)而不是一個(gè)面來(lái)設計可以避免電源面的分割問(wèn)題。

混合信號PCB設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，設計過(guò)程要注意以下幾點(diǎn)：

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(jìn)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(xiàn)。 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(xiàn)。 7.實(shí)現模擬和數字電源分割。 8.布線(xiàn)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(xiàn)要位于緊鄰大面積地的布線(xiàn)層上。 10.分析返回地電流實(shí)際流過(guò)的路徑和方式。 11.采用正確的布線(xiàn)規則。