PCB設(shè)計(jì)正在成為整個(gè)電子設(shè)計(jì)工藝中的焦點(diǎn)，現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路，而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。在一塊板卡同時(shí)存在數(shù)字電路和模擬電路，甚至共享相同的元件，考慮到它們之間的相互干擾問(wèn)題及對(duì)電路性能的影響，電路的布局和布線必須講究方法。在此，通過(guò)透徹分析高密度、高性能、混合信號(hào)PCB的布局和布線設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到要求的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)?；旌闲盘?hào)PCB設(shè)計(jì)中對(duì)電源傳輸線的特殊需求以及隔離模擬和數(shù)字電路之間噪聲耦合的要求，增加了混合信號(hào)PCB的布局和布線的復(fù)雜性。

一、混合電路干擾的產(chǎn)生機(jī)理和途徑

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相比，對(duì)噪聲的敏感程度要大得多，因?yàn)槟M電路的工作依賴連續(xù)變化的電流和電壓，任何微小的干擾都能影響它的正常工作，而數(shù)字電路的工作依賴在接收端根據(jù)預(yù)先定義的電壓電平或門限對(duì)高電平或低電平的檢測(cè)，它相當(dāng)于判斷邏輯狀態(tài)的“真”或“假”，具有一定的抗干擾能力。

因此，在混合信號(hào)環(huán)境中，數(shù)字電路相對(duì)模擬信號(hào)而言是一種噪聲源。數(shù)字電路工作時(shí)，穩(wěn)定的有效電壓只有高低電平兩種電壓。當(dāng)數(shù)字邏輯輸出由高電壓變?yōu)榈碗妷?，該器件的接地管腳就會(huì)放電，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電流，這就是電路的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。數(shù)字電路的速度越快，其開(kāi)關(guān)時(shí)間一般也要求越短，當(dāng)大量的開(kāi)關(guān)電路同時(shí)由邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖綍r(shí)，由于地線通過(guò)電流的能力不夠，大量的開(kāi)關(guān)電流就會(huì)引起邏輯地電壓發(fā)生波動(dòng)，我們稱為地彈。系統(tǒng)電源在給系統(tǒng)提供能源的同時(shí)，也會(huì)將其寄生的干擾噪聲加到了供電電路上。數(shù)字電路造成的地彈噪聲和電源擾動(dòng)，如果耦合到模擬電路中，就會(huì)影響模擬電路的工作性能。由于相當(dāng)多的干擾源是通過(guò)電源和地總線產(chǎn)生的，其中地線引起的噪聲干擾[敏感詞]，所以在PCB設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地和電源的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。筆者以某信號(hào)處理系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)為實(shí)例，討論混合電路PCB設(shè)計(jì)的布局和布線準(zhǔn)則。

二、混合電路PCB設(shè)計(jì)的一般處理原則

（1）布局布線原則在布局或布線之前，要仔細(xì)考慮混合電路PCB上所有特殊電源的布線細(xì)節(jié)。與大多數(shù)成功的高密度布局和布線方案一樣，布局要滿足布線的要求，布局和布線的要求必須互相兼顧。有時(shí)由于輸入/輸出連接器位置的緣故，必須把數(shù)字和模擬電路的布線混合在一起，這樣就很有可能造成模擬部分和數(shù)字部分電路的相互影響。避免在鄰近模擬電源層的地方走數(shù)字時(shí)鐘線和高頻模擬信號(hào)線，否則，電源信號(hào)的噪聲將耦合到敏感的模擬信號(hào)之中。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對(duì)信號(hào)線來(lái)說(shuō)，高頻的數(shù)字信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件。

（2）使用電源和地平面代替電源線和地線以減小阻抗地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。在多層板內(nèi)用專用的電源層和地線層來(lái)代替印制導(dǎo)線，層的平面電感大大小于導(dǎo)線電感，從而降低了阻抗；對(duì)電源的處理也是如此。此外，盡量增加與電源、地相連接的導(dǎo)線寬度，減少環(huán)路電阻。

（3）盡量使用高精度的穩(wěn)態(tài)電源以保持輸入電源的穩(wěn)定。

（4）使電源線、地線的走向和信號(hào)傳遞的方向保持一致有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

（5）分離數(shù)字地和模擬地為了避免數(shù)字信號(hào)耦合到模擬電路中去，數(shù)字地和模擬地通常要分開(kāi)，只在一點(diǎn)會(huì)合。從芯片上的焊點(diǎn)到封裝引腳的連線會(huì)產(chǎn)生引腳電感和電阻?？焖僮儞Q的數(shù)字電流在某點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)電壓，經(jīng)過(guò)雜散電容必然耦合到模擬電路某處。為了防止進(jìn)一步的耦合，芯片模擬地和數(shù)字地的外部引腳應(yīng)用最短的連線接到同一個(gè)低阻抗的接地平面上。

（6）對(duì)于混合器件的處理通常的混合器件有晶振，高速ADC器件，即在器件內(nèi)部同時(shí)有數(shù)字電路和模擬電路兩部分。大多數(shù)這種接地引腳有AGND和DGND之分。在把這兩個(gè)接地引腳短接后應(yīng)接在同一個(gè)地平面上。正確的做法是將混合器件作為一個(gè)整體，按照模擬器件來(lái)處理，所以將AGND和DGND短接后應(yīng)該接在模擬地。當(dāng)然這樣做會(huì)使得轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的數(shù)字電流流入模擬接地平面，但這樣要比把轉(zhuǎn)換器件的DGND腳接到噪聲數(shù)字接地平面帶來(lái)的干擾要小得多。同接地一樣，將電路中的模擬部分和數(shù)字部分的電源線（[敏感詞]是電源平面）分開(kāi)，我們將數(shù)字電源按模擬電源處理。必要情況下應(yīng)將模擬電源引腳與數(shù)字電源引腳用跨接電感的方式隔離。

（7）添加去耦電容去耦電容可以消除高頻干擾，由于電容器的容抗與頻率成反比，因此將電容并聯(lián)在信號(hào)與地線之間就起到對(duì)高頻噪聲的旁路作用。原則上將每個(gè)集成芯片都加上一個(gè)0.01~0.1 mF的陶瓷片電容，不僅能使芯片存儲(chǔ)能量，提供和吸收該芯片的電路開(kāi)門和關(guān)門瞬間的充放電能，還能旁路掉該器件的高頻噪聲成分。在電源輸入端加上一個(gè)10~100mF的電解電容（[敏感詞]是鉭電容），可以抑制電源的噪聲干擾，當(dāng)然加入的電容引線不能太長(zhǎng)，因?yàn)殡娙莸囊€長(zhǎng)度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，引線越長(zhǎng)，則感應(yīng)電感越大，電容的諧振頻率就越低，對(duì)高頻噪聲的頻率作用就會(huì)減弱，甚至消失，因此在高速PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意使電容器的引線盡量短，也就是使得電容盡可能地靠近芯片，這一點(diǎn)很容易被忽視。

三、數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計(jì)布局

本科普涉及元件放置、電路板分層和接地平面方面的考量，文中討論的準(zhǔn)則為混合信號(hào)板的布局設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)用方法，對(duì)所有背景的工程師應(yīng)當(dāng)都能有所幫助。

混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)要求對(duì)模擬和數(shù)字電路有基本的了解，以[敏感詞]地減少（如果不能防止的話）信號(hào)干擾。構(gòu)成現(xiàn)代系統(tǒng)的元件既有在數(shù)字域運(yùn)行的元件，又有在模擬域運(yùn)行的元件，必須精心設(shè)計(jì)以確保整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)完整性。

作為混合信號(hào)開(kāi)發(fā)過(guò)程的重要組成部分，PCB布局可能令人生畏，而元件放置僅僅是開(kāi)始。還有其他因素必須考慮，包括電路板各層以及如何適當(dāng)管理這些層，以[敏感詞]地減少寄生電容 （PCB的平面間層之間可能會(huì)意外產(chǎn)生此類電容）引起的干擾。

接地也是混合信號(hào)系統(tǒng)的PCB布局設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要步驟。盡管接地是行業(yè)中經(jīng)常爭(zhēng)論的一個(gè)話題，但對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，制定一套標(biāo)準(zhǔn)化方法不一定是最簡(jiǎn)單的任務(wù)。例如，高質(zhì)量接地的某個(gè)單一問(wèn)題可能會(huì)影響高性能混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)的整個(gè)布局。因此，不應(yīng)忽略此方面。

與建造房屋類似，放置電路元件之前必須創(chuàng)建系統(tǒng)的平面規(guī)劃圖。此步驟將奠定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體完整性，并應(yīng)有助于避免高噪聲信號(hào)干擾。

在制定平面圖時(shí)，建議遵循原理圖的信號(hào)路徑，尤其是對(duì)于高速電路。元件的位置也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。設(shè)計(jì)人員應(yīng)能識(shí)別重要的功能模塊、信號(hào)以及模塊之間的連接，從而確定各元件在系統(tǒng)中的[敏感詞]位置。例如，連接器[敏感詞]放置在板的邊緣，而輔助元件（如去耦電容和晶振）必須盡可能靠近混合信號(hào)器件放置。

為了盡量減少模擬和數(shù)字信號(hào)的共同返回路徑，可以考慮模擬和數(shù)字模塊分離，以使模擬信號(hào)不會(huì)與數(shù)字信號(hào)混合。

圖1. 模擬和數(shù)字電路分離

圖1顯示了模擬和數(shù)字電路分離的一個(gè)很好的例子。分割模擬和數(shù)字部分時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

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