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模数混合电路的接地设计

作者:不详 ; 发布时间:2019-12-2 11:50:46 ; 来源:互联网  点击:

设计理想的参考面

由于PCB的导线存在电阻、电感和电容,所以在进行PCB设计时,设计一个纯净的、无阻抗的(理想的)地线和电源线是十分重要的。在模数混合电路设计中采用参考面是替代导线的最好设计。

模拟地和数字地分割

分割是指利用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合,尤其是通过电源线和地线的耦合。在模数混合电路中,如何降低数字信号和模拟信号的相互干扰是必须考虑的问题。在设计之前,必须了解PCB电磁兼容性的两个基本原则:一是尽可能减小电流回路的面积;二是系统尽量只采用一个参考面。由前面的介绍已知,假如信号不能由尽可能小的环路返回,则有可能形成一个大的环状天线;如果系统存在两个参考面,就会形成一个偶极天线。因此,在设计中要尽可能避免这两种情况。避免这两种情况的有效方法是将混合信号电路板上的数字地和模拟地分开,形成隔离。但是这种方法一旦跨越分割间隙(“壕”)布线,就会急剧增加电磁辐射和信号串扰,如图11-5所示。在PCB设计中,若信号线跨越分割参考面,就会产生EMI问题。

模数混合电路的接地设计

图11-5 布线跨越模拟地和数字地之间的间隙

在混合信号PCB的设计中,不仅对电源和“地”有特别要求,而且要求模拟噪声和数字电路噪声相互隔离以避免噪声耦合。对电源分配系统的特殊需求,以及隔离模拟和数字电路之间噪声耦合的要求,使得混合信号PCB的布局和布线具有一定的复杂性。

通常情况下,分割的两个地会在PCB的某处连在一起(即在PCB的某个位置单点连接),电流将形成一个大的环路。对高速数字信号电流而言,流经大环路时,会产生RF辐射和呈现一个很高的地电感;对模拟小信号电流而言,则很容易受到其他高速数字信号的干扰。另外,模拟地和数字地由一个长导线连接在一起会形成一个偶极天线。

对设计者来说,不能仅仅考虑信号电流从何处流过,而忽略了电流的返回路径。了解电流回流到“地”的路径和方式是最佳化混合信号电路板设计的关键。

在进行混合信号PCB的设计时,如果必须对接地平面进行分割,而且必须由分割之间的间隙布线,则可以先在被分割的地之间进行单点连接,形成两个地之间的连接“桥”,然后经由该连接“桥”布线,如图11-6所示。这样,在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流返回路径,从而可以使形成的环路面积很小。

模数混合电路的接地设计

图11-6

对于采用光隔离元件或变压器实现信号跨越分割间隙的设计,以及采用差分对的设计(信号从一条线流入,从另一条线返回),可以不考虑返回路径。

采用“统一地平面”形式

在ADC或DAC电路中,需要将ADC或DAC的模拟地和数字地引脚连接在一起时,一般的建议是:将AGND和DGND引脚以最短的引线连接到同一个低阻抗的地平面上。

如果一个数字系统使用一个ADC,如图11-7所示,则可以将“地平面”分割开,在ADC芯片的下面把模拟地和数字地部分连接在一起。但是要求必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽,并且任何信号线都不能跨越分割间隙。

模数混合电路的接地设计

图11-7

如果一个数字系统中有多个ADC,在每一个ADC的下面都将模拟地和数字地连接在一起,则会产生多点相连,模拟地和数字地的“地平面”分割也就没有意义了。对于这种情况,可以使用一个“统一的地平面”。如图11-8所示,将统一的地平面分为模拟部分和数字部分,这样的布局、布线既满足对模拟地和数字地引脚低阻抗连接的要求,同时又不会形成环路天线或偶极天线所产生的EMC问题。最好的方法是开始设计时就用统一地。

模数混合电路的接地设计

图11-8 采用“统一的地平面”

因为大多数A/D转换器晶片内部没有将模拟地和数字地连接在一起,必须由外部引脚实现模拟地和数字地的连接,所以任何与DGND连接的外部阻抗都会由寄生电容将更多的数位噪声耦合到IC内部的模拟电路上。而使用一个“统一的地平面”,需要将A/D转换器的AGND 和DGND引脚都连接到模拟地上,但这种方法会产生如数字信号去耦电容的接地端应该接到数字地还是模拟地的问题。

数字和模拟电源平面的分割

在模数混合电路中,通常采用独立的数字电源和模拟电源分别供电。在模数混合信号的PCB上多采用分割的电源平面。应注意的是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙,而只有在紧邻大面积“地”的信号层上的信号线才能跨越该间隙。可以将模拟电源以PCB走线或填充的形式而不是一个电源平面来设计,这样就可以避免电源平面的分割问题了。

在PCB布局过程中的一个重要步骤就是确保各个元件的电源平面(和地平面)可以进行有效分组,并且不会与其他的电路发生重叠,如图11-9所示。例如,在A/D电路中,通常是数字电源参考层和数字地参考层(数字接地面)位于IC的一侧,模拟电源参考层与模拟地参考层(模拟接地面)位于另一侧,并用0Ω电阻或铁氧体磁环在IC下面(或者最少在距离IC非常近的位置)的一个点把数字地层和模拟地层连接起来。

模数混合电路的接地设计

图11-9 模数电源平面和地平面进行分组

如果使用多个独立的电源并且这些电源有着自己的参考层,则不要让这些层之间不相关的部分发生重叠。这是因为两层被电介质隔开的导体表面会形成一个电容。如图11-10所示,当模拟电源层的一部分与数字地层的一部分发生重叠时,两层发生重叠的部分就形成了一个小电容。事实上这个电容可能会非常小。不管怎样,任何电容都能为噪声提供从一个电源到另一个电源的通路,从而使隔离失去意义。

模数混合电路的接地设计

图11-10 层的重叠部分会形成一个电容

最小化电源线和地线的环路面积

最小化环路面积的规则是电源线和信号线与其回路构成的环路面积要尽可能小,实际上就是为了尽量减小信号的回路面积。

在一个模数混合电路中,如图11-11所示,地的返回环境可能是非常复杂的。

模数混合电路的接地设计

图11-11 模数混合电路复杂的地的返回环境

保持电源线和信号线和它的地返回线紧靠在一起将有助于最小化地环路面积,以避免潜在的天线环。地环路面积越小,对外的辐射越少,接收外界的干扰也越小。根据这一规则,在对地平面(接地平面)进行分割时,要考虑到地平面与重要信号走线的分布,防止由于地平面开槽等带来的问题;在双层板设计中,在为电源留下足够空间的情况下,应该将留下的部分用参考地(接地平面)填充,并且增加一些必要的过孔,将双面信号有效连接起来。对于一些关键信号,应尽量采用地线隔离;对于一些频率较高的设计,则需特别考虑其地平面信号回路的问题,建议采用多层板。

在信号导线下必须有固定的返回路径(即固定地平面)以保持电流密度的均匀性。如图11-12所示,返回电流是直接在信号导线下面流通,这将具有最小通道阻抗。

模数混合电路的接地设计

图11-12 在信号导线下有固定的返回路径

对于过孔,如图11-13所示,也必须考虑其返回电流路径 [27] 。在信号路径过孔旁边必须有返回路径的过孔[如图11-13(b)所示],对于阻抗受控的过孔,可以设计多个返回路径过孔(如图11-13(c)所示)。

模数混合电路的接地设计

图11-13 过孔的返回电流路径

模数混合电路的接地设计

图11-13 过孔的返回电流路径(续)

模数混合电路的电源和接地布局示例

对于模数混合电路来说,电源和接地的PCB布局是很重要的。模数混合电路电源和接地PCB设计的一般原则如下。

(1)PCB分区为独立的模拟电路和数字电路部分,并采用适当的元器件布局。

(2)跨分区放置ADC或DAC。

(3)不要对“地平面”进行分割,在PCB的模拟电路部分和数字电路部分下面设统一的地平面。

(4)采用正确的布线规则:在电路板的所有层中,数字信号只能在PCB的数字部分布线,模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。

(5)模拟电源和数字电源分割,布线不能跨越分割电源面的间隙,必须跨越分割电源间隙的信号线要位于紧邻大面积地平面的信号层上。

(6)分析返回电流实际流过的路径和方式。

图11-14给出了一个推荐的温度测量电路接线布局图 [80 ] 。模拟电路不应受到诸如交流声干扰和高频电压尖峰此类干扰的影响。模拟电路与数字电路不同,连接必须尽可能短以减少电磁感应现象,通常采用在V cc 和地之间的星形结构来连接。通过公共电源线可以避免电路其他部分耦合所产生的干扰电压。

模数混合电路的接地设计

图11-14 一个推荐的温度测量电路接线布局图

该温度测量电路采用一个独立的电源为数字器件和模拟器件供电。电感L 1 和旁路电容C 3 用来降低由数字电路产生的高频噪声。电解电容C 5 用来抑制低频干扰。该电路结构中心的模拟接地点是必不可少的。正确的电路布局可以避免测量数据时的不必要的耦合,这种耦合可以导致测量结果的错误。ADC的参考电压连接点(REF+和REF-)是模拟电路的一部分,因此它们分别直接连接到模拟电源电压点(V cc )和接地点上。

连接到运算放大器同相输入端的RC网络用来抑制由传感器引入的高频干扰。即使当干扰电压的频率远离运算放大器的输入带宽时,仍然存在这样的危险,因为这些电压会由于半导体元件的非线性特性而得到整流,并最终叠加到测量信号上。

在此电路中所使用的ADC TLV1543有一个单独的内部模拟电路数字电路的公共接地点(GND)。模拟电源和数字电源的电压值均是相对于该公共接地点的。在ADC器件区域应采用较大的接地平面。TLV1543的模拟接地和数字接地信号都连接到公共接地点上(见图11-14)。所有的可用屏蔽点和接地点也都要连接到公共接地点上。

设计PCB时,合理放置有源器件的旁路(去耦)电容十分重要。旁路(去耦)电容应提供一个低阻抗回路,将高频信号引入地,用来消除电源电压的高频分量,并避免不必要的反馈和耦合路径。另外,旁路(去耦)电容能够提供部分能量,用于抵消快速负载变化的影响,特别是对于数字电路而言。为了能够满足高速电路的需要,旁路(去耦)电容应采用100nF的陶瓷电容器。50μF的电解电容(50μF)可以用来拓宽旁路的频率的范围。

 
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