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如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?

发布时间:2019-06-07 07:26 来源:未知 编辑:admin

  如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原则:第一个原则是尽可能减小电流环路的面积;第二个原则是系统只采用一个参考面。相反,如果系统存在两个参考面,就可能形成一个偶极天线(注:小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比);而如果信号不能通过尽可能小的环路返回,就可能形成一个大的环状天线(注:小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。

  有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开,这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行,但是存在很多潜在的问题,在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线,一旦跨越了分割间隙布线,电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。

  我们采用分割方法,而且信号线跨越了两个地之间的间隙,信号电流的返回路径是什么呢?假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接),在这种情况下,地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感,如果流过大环路的是低电平模拟电流,该电流很容易受到外部信号干扰。最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时,将形成一个非常大的电流环路。另外,模拟地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。

  了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过,而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割,而且必须通过分割之间的间隙布线,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,然后通过该连接桥布线。这样,在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径,从而使形成的环路面积很小。

  例如设计音响产品时,有的工程师遇到低噪问题,往往是由于用单端输入接法。例如INN接信号,INP通过电容接GND。这个GND太过随意,就近接地,而这个地很可能是大电流的回路,而引入了噪音。正确接法应该是从A点拉线到INP端。一般都有输入电阻,建议将输入电阻直接靠近A点,这样走线就不容易有问题。

  要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低),直接位于信号下方的路径,因此返回电流会流过邻近的电路层,而无论这个临近层是电源层还是地线层。在实际工作中一般倾向于使用统一地,而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线,而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下,数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。

  只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时,才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地,真正的原因是数字信号的布线不适当。 PCB设计采用统一地,通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线,通常可以解决一些比较困难的布局布线问题,同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下,元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理,数字地电流将限制在电路板的数字部分,不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对,要保证百分之百遵守布线规则。否则,一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。

  如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑,可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线,在设计时注意尽量使电路板在后边实验时,用间距小于 1/2英寸的跳线欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线,确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上,也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且,任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能,然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起,重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果,会发现几乎在所有的情况下,统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。

  在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源,能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙,而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下,将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。

  5.在电路板的所有层中,数字信号只能在电路板的数字部分布线.在电路板的所有层中,模拟信号只能在电路板的模拟部分布线.实现模拟和数字电源分割。

  9.必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线.分析返回地电流实际流过的路径和方式。

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