混合信号PCB布局可靠设计关键原则

印制电路板（PCB）设计常同时包含模拟部分和数字部分。模拟部分通常对信号进行调理以供数字化，数字部分将模拟信号转换为数字信号，再对数字域信号处理。隔离PCB设计中的这两个模块对保证模拟电路完整性至关重要。模拟电路通常高度易受噪声信号影响，数字电路通常电气噪声很大。本文将阐述避免混合信号布局问题的通用规则，并探讨将模拟电路部分与其数字对应部分隔离的最佳方法。

背景知识

快速回顾：讨论高速交流信号回流路径很重要。直流信号回流路径仅为返回源元件的最小电阻路径。交流信号回流路径遵循最小阻抗路径。这意味着交流信号回流电流局限于其源信号走线正下方区域。例外情况：若打断高速交流信号下方地平面，将迫使该信号回流电流形成辐射回路。这种回路既是辐射噪声源也是汇点，应尽量避免。此简要回顾应提醒读者EMI（电磁干扰）减少的两条基本规则之一：保持回流路径尽可能靠近其源信号路径，避免产生回流电流回路。EMI减少的另一基本规则是确保仅使用单一参考平面。若使用两个，PCB将实际成为偶极子天线。掌握此快速回顾，进入混合信号布局细节。

混合信号拓扑

设计师第一直觉常是用模拟和数字接地方案简单分离板卡模拟部分与数字部分。此方案问题在于：当从数字侧连接到模拟侧时，板卡（如前节讨论）实际成为偶极子天线。此类设计天然易受电气噪声影响，自身也极噪。

另一常见方法是简单在单点连接模拟地和数字地（常为设计用电源负轨）。这方案很差，因为连接数字侧到模拟侧的走线将通过地连接点形成环路天线，既从设计辐射噪声也接收噪声进入设计。此外连接板卡独立地部分的走线实际创建偶极子天线。两种效应都产生极噪且易受噪声设计。

另一常见（虽稍有效）方法是"桥接"配置：模拟和数字部分通过"桥"直接连接。此方案中数字地和模拟地直接连接，但所有从模拟到数字侧的连接走线都布在模拟地和数字地连接部分上方。这样两个电路间高速交流信号将有直接回流路径，但地平面仍保持一定隔离。理论上桥接配置允许数字侧与模拟侧共享同一地平面，但比单纯共享连续地平面有进一步隔离。虽然此类配置通常产生性能良好的板卡，但为何首先要用桥接？高速交流信号回流电流天然紧贴源走线，通过谨慎布线数字信号即可避免桥接需求。

完成混合信号布局最佳且最简单方法：直接将电路板分为模拟分区和数字分区。这两分区可共享同一地平面，即PCB全铺铜。通过不在模拟部分布设高速数字信号，即可轻松避免两侧干扰。

由此可见，上述任何配置中，分区分界线将是设计中模数转换器（ADC）的逻辑位置。并不罕见看到ADC跨越隔离模拟/数字地平面，但如前所述，极好方案是直接将ADC置于板卡数字和模拟部分分界线上，此时板卡拥有单一连续地平面。

最后，值得一提隔离模拟与数字部分的其他方法。光耦合数字部分与模拟侧（使用光隔离器）并不罕见。这样模拟和数字部分可拥有电气隔离的地平面。用变压器隔离PCB两部分也类似，两侧磁耦合。两种方法均有效，但通常保留给专用应用。

通用规则

混合信号PCB布局通用规则总结：

• 首先定义设计的模拟和数字部分。
• 将PCB分区为模拟和数字部分。
• 确保数字元件和模拟元件分配到各自分区。
• 绝不在模拟部分布设数字信号，绝不在数字部分布设模拟信号。
• 将模数转换器放置在模拟和数字分区分界线上，使其跨越分界。
• 使用单一实心地平面效果最好，且是最简单方法。
• 若信号走线必须从模拟分区走到数字分区，确保其完全位于板卡地平面上方。

参考资源
• 高速PCB布局中信号反射抑制方法
• 高速PCB设计信号完整性挑战及解决方案
• 高速数模混合电路信号完整性分析与PCB设计
• PCB设计中过孔阻抗控制及其对信号完整性影响
• PCBCart全功能PCB制造服务 - 多种增值选项
• PCBCart高阶PCB组装服务 - 单片起订