混合信号布局注意事项

印刷电路板 (PCB) 设计通常会同时包含模拟部分和数字部分。模拟部分通常调节信号以进行数字化，数字部分将模拟信号转换为数字信号，然后作用于现在的数字域信号。隔离 PCB 设计的这两个模块对于确保模拟电路的完整性非常重要。模拟电路通常对噪声信号高度敏感，而数字电路通常具有很强的电噪声。本文将尝试阐明一些避免混合信号布局问题的一般规则，并讨论将模拟电路部分与其数字对应部分隔离的最佳方法。

背景

作为快速回顾，讨论高速交流信号的返回路径很重要。在检查 DC 信号的返回路径时，所述路径只是返回到原始组件的阻力最小的路径。交流信号返回路径遵循阻抗最小的路径。这意味着交流信号返回路径电流保持在其原始信号迹线下方的区域。这条规则的例外是，当您在高速交流信号下方断开接地层时，您将强制所述信号的返回电流创建一个辐射环路。这种环路既是辐射噪声的源头也是辐射噪声的汇点，应尽可能避免。这篇简短的回顾应该提醒读者减少 EMI（电磁干扰）的两个基本规则之一：使返回路径尽可能靠近其原始信号路径，以避免产生返回电流回路。另一个降低 EMI 的基本规则是确保您只使用一个参考平面。如果使用两个，那么 PCB 将有效地成为一个偶极天线。有了这个快速回顾，让我们继续讨论混合信号布局的细节。

混合信号拓扑

设计师的第一个想法通常是通过使用模拟和数字接地方案简单地将电路板的模拟部分与数字部分分开。这种方案的问题在于，当从电路板的数字端连接到模拟端时，电路板（如上一节中所讨论的）实际上变成了偶极天线。任何这样的设计都会天生就容易受到电噪声的影响，并且本身也同样非常电噪声。

解决此问题的另一种常见方法是将模拟和数字接地简单地连接在一个点（通常是设计中使用的电源的负轨）。这是一个非常糟糕的解决方案，因为任何将数字连接到电路板模拟侧的走线现在都将通过接地连接点形成一个环形天线，该天线既会从您的设计中辐射出来，也会接收到您的设计电气噪声中。此外，将电路板的独立接地部分连接在一起的迹线将有效地创建一个偶极天线。这两种效果都会产生非常嘈杂且易受噪音影响的设计。

设计混合信号板的另一种常见（尽管稍微更有效）方法是一种配置，其中板的模拟部分和数字部分通过“桥”直接相互连接。虽然在这种方案中数字地和模拟地直接相互连接，但从模拟到电路板数字侧的所有连接迹线都在电路板连接模拟和数字地的部分上方布线。这样，在两个电路之间传输的高速交流信号将具有直接返回路径，但接地平面仍将有些隔离。从理论上讲，这种桥式配置将允许电路板的数字侧与电路板的模拟侧具有相同的接地层，但与简单地让电路板的两个部分共享一个连续的接地层相比，具有一些进一步的隔离。虽然这种类型的配置通常会导致电路板性能良好，但为什么首先要使用桥接呢？高速交流信号的返回电流本质上会非常靠近它们的原始走线，因此可以通过谨慎的数字信号路由来避免对桥接的需求。

完成混合信号布局的最佳和最简单的方法是将电路板简单地划分为模拟分区和数字分区。然后，这两个分区可以共享同一个接地平面，该接地平面将由 PCB 宽覆铜构成。通过不将高速数字信号路由到 PCB 的模拟部分，可以轻松避免两侧之间的干扰。

因此，在任何这些配置中，分隔分区的分隔线将是 PCB 设计中使用的一个或多个模数转换器的逻辑位置。看到模数转换器跨越隔离的模拟和数字接地层并非闻所未闻，但正如所讨论的，一个非常好的解决方案是简单地将模数转换器沿着电路板的数字和模拟部分的分界线放置，其中板子有一个连续的接地层。

最后，值得一提的是其他方法将模拟与电路板的数字部分隔离开来。通过使用光隔离器将电路板的数字部分与模拟部分进行光耦合并不罕见。通过这种方式，电路板的模拟和数字部分实际上可以拥有自己的电气隔离接地层。这种配置也可以通过使用变压器隔离 PCB 的两个部分来工作，其中电路板的两侧磁耦合。虽然这两种方法都有效，但它们通常保留用于特殊应用。

一般规则

以下是布局混合信号 PCB 的一般规则摘要：
• 首先定义设计的模拟和数字部分。
• 将 PCB 划分为模拟和数字部分。
• 确保将数字组件和模拟组件分配到各自的分区。
• 切勿通过电路板的模拟部分路由数字信号，也切勿通过电路板的数字部分路由模拟信号。
• 放置模数转换器，使其跨越电路板的模拟和数字分区之间的分界线。
• 使用单个实心接地层将产生最佳结果，并具有额外的好处是最简单的方法。
• 如果必须将信号走线从模拟分区布线到数字分区，请确保它完全位于电路板的接地层之上。

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