4. 模拟和数字信号的布线
理想情况下,模拟和数字信号将位于电路板的对立 侧上,但这种情况一般不会发生。许多设计都要求 模拟和数字信号位于同一个区域内。遗憾的是,在 一个区域内同时运行较高阻抗的模拟信号和数字信 号可能引起意外串扰,该串扰给模拟信号带来过大 噪声。
串扰是什么?
串扰指的是没有直接相连时,一个信号对另一个信 号产生影响的现象。具有快速上升和下降时间的数 字信号对高阻抗的模拟信号路径产生影响是最常见 的串扰现象。数字信号同样受串扰的影响。高速数 字信号容易影响到其他数字信号。各信号之间的串 扰类型为:传导、容性或者感性。在所有情况下, 通过加大各信号之间的距离并缩短它们之间并行的 长度,可以减少信号串扰。
传导串扰的影响一般不大。只有各信号的阻抗过高 (超过 10 MΩ)时,这种串扰才会造成问题。当 PCB 上出现泥土、油、盐或其他液体异物,增大了 各走线之间的 PCB 材料的导电性时,通常会发生高 传导串扰情况。阻抗下降所导致的串扰会对电路操 作产生不利影响。在某些情况下, 焊接掩模可以保 护 PCB。但始终会有裸露区,如 PCB 上器件焊接 的位置。如果在使用产品的环境中发现这些材料, 必须采用各种措施使 PCB 与这些材料隔离。如果不能使 PCB 与异物隔离,可以在 PCB 上使用外部涂料,但该方法会增加费用。
当一个走线位于其他层中另一个走线的正上方时, 将发生容性耦合。铜线之间形成一个电容。这些铜 线重叠部分越多,它们耦合形成的电容越高。通过 减少各信号之间的重叠区降低该电容,从而减少耦 合。在某些情况下,特别是在双层电路板上,几乎 不能消除敏感模拟信号与快速数字信号交叉的情 况。这时,这些信号需要以 90 o 的角度交叉,以尽 量减少它们之间形成的电容。
如果使用两层以上的多层电路板,请保证两个相交信号之间存在电源层,以尽可能减少耦合。请注 意,图 7 中的电容在两个走线之间形成,它与重叠区成正比。
如果使用多层电路板,请确保模拟和数字走线以 90° 的角度相交。这样可大大减少重叠区,从而降低各 信号之间的容性耦合。图 8 显示的是一个示例。
图 9 显示的是 PCB 布局的一个示例,其中模拟走线 (红色)必须与数字走线(蓝色)交叉。请注意, 模拟和数字走线之间为 90°。
在同一层或相邻层上运行的各条走线可能被磁耦 合。该情况被称为感性耦合。感性耦合由三个机械 特性引起。这些特性为:各走线之间的分离、两个 并行走线之间的距离、走线和其最接近电源层的距 离。各信号之间的距离以及各信号和接地层之间的 距离都是影响最大的因素,如公式 2 和图 10 所示。
正如您能够发现,走线和接地层之间的距离(即为 高度)是一个重要因素。通过缩短该距离,可能以 高度平方的数值降低串扰。如果需要运行相邻的数 字和模拟走线,那么,使它们接近于接地层会是降 低串扰的最好方法。
4.2 3W原则
3 W 规则规定了各逻辑走线(中心到中心)之间的 距离必须为走线宽度的三倍。例如,如果 PCB 上走 线的宽度为 0.008 英寸,则两个相邻走线中心之间 的距离将为 0.024 英寸(0.008 英寸 x 3),其边缘 的距离为 0.016 英寸(0.008 英寸 x 2)。这样可使 每个走线处在另一个走线的 70%磁通量边界范围 外。为了能够位于 98%磁通量边界的范围外,两个 相邻走线之间的距离必须为走线宽度的 10 倍。这些 条件都取决于各走线的阻抗以及各信号的上升时 间。请参看图 11。
减少(在电路板同一侧上运行的相邻)信号之间的 耦合的另一个方法是在这些信号之间放置一个防护 线,并将之接地。这样可以减少各信号之间的容性 耦合。请参看图 12。
在多层电路板中,各层之间的距离不一样。例如, 在厚度为 0.062 英寸的 4 层电路板中,与第二层和 第三层之间的距离相比,第一层和第二层之间的距 离更小。因此,在同一个区域内走模拟和数字信号 时,请将各走线分布到非相邻层上,可以尽可能扩 大它们之间的距离。
多电源域
在敏感模拟系统中,需要将模拟电源和数字电源分开。一般建议使用独立的外部模拟和数字电压调节器。如果额外电压调节器的成本过高,并且您的设计中数字部分不包括高速或 高电流切换功能,可以使用单个电压调节器。就如您拥有独立的调节器时,要注意要在设计上始终隔离模拟和数字的电源电 路。分别为模拟电源(VDDA、VSSA)和数字电源(VDDD、VSSD)提供独立的电源和接地信号。请尽可能缩短这两个电源 (模拟和数字电源)与电路板电源之间连接的距离。电路板电源的输出阻抗一般较低,所以通过上述连接,数字电源几乎不 会对模拟电源产生影响。
接地层
接地层在混合信号设计中始终有用,但对于某个已给的设计,额外层成本较高。即使在双层电路板中,也可以在敏感模
拟部分添加部分层。无论您是否使用接地层,都需要确保返回路径与电源之间的连接最短。请注意,如果接地层电源电
路的阻抗不够低,或者过度分散该层,则不能利用该层改善您的设计。在双层电路板上,不要仅仅依靠最后的地平面填
充,因为这样可能带来高阻抗的接地路径。如不仔细检查,很难发现这样的缺陷。比较好的设计习惯是,先通过走线布
局好接地路径,然后进行地平面填充。
如果在您的设计中能够使用单独的模拟和数字接地层,那么几乎在所有情况下,它们需要在一个单点上相连。该单点需 要位于电源和 SoC 器件之间。
当仅用一个单电压调节器时,只在模拟和数字组件相互隔离的情况下,对地平面可以不做分割。
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本文转载自：吴川斌的博客
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