摘要：混合信号印刷电路板（PCB）电路的设计十分复杂，其中元件布局、布线以及电源和地线的处理都直接影响电路性能。射频本文介绍了一种用于接地和电源的区域划分设计，该设计可以优化混合信号电路的性能，并考虑了电磁兼容性（EMC）。

如何降低数字信号和模拟信号之间的相互干扰？在设计之前，理解电磁兼容性（EMC）的两个基本原则至关重要：第一，尽可能减小电流环路的面积；第二，系统应采用单一参考平面。相反，如果系统有两个参考平面，则可能形成偶极子。 天线 （注：小型偶极天线的辐射强度与导线长度、流过导线的电流大小以及频率成正比。）此外，如果信号无法通过尽可能小的环路返回，则可能需要形成大型环形天线（注：小型环形天线的辐射强度与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比。）在设计中应尽可能避免这两种情况。

有人建议在混合信号电路板上将数字地和模拟地分开，以实现二者之间的隔离。虽然这种方法可行，但它会带来许多潜在问题，尤其是在复杂的大型系统中。最关键的问题是无法跨越分离的间隙布线，因为这样做会显著增加电磁辐射和信号串扰。PCB设计中最常见的问题是信号线跨越分离的地或电源时产生的电磁干扰问题。

如图1所示，我们采用前述的分段方法，当信号线跨越两个地之间的间隙时，信号电流的回流路径是什么？假设两个分段地在某处（通常是单点）连接，此时地电流将形成一个大回路。流经该大回路的高频电流会产生辐射和高地电感。如果低电平模拟电流流经该大回路，则容易受到外部信号干扰。最糟糕的情况是，当分段地在电源处连接时，会形成一个极大的电流回路。此外，通过长导线连接模拟地和数字地会形成一个偶极天线。

了解电流返回地线的路径和方式对于优化混合信号PCB设计至关重要。许多设计工程师只考虑信号电流的流向，而忽略了具体的电流路径。如果需要对接地平面进行分段，并且布线必须穿过各段之间的间隙，则首先在分段接地平面之间建立单点连接，形成桥接，然后通过该桥接进行布线。这样可以确保每条信号线下方都有一条直接的电流返回路径，从而最大限度地减少回路面积。

光隔离器或光变压器也可用于使信号跨越分段间隙。在前一种情况下，光信号穿过间隙；在后一种情况下，磁场穿过间隙。另一种可行的方案是使用差分信号，其中信号流入一条线路，然后从另一条线路返回，从而无需接地作为回流路径。

要深入研究数字信号对模拟信号的干扰，必须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）的路径，即信号正下方的路径，因此回流电流会流经相邻的电路层，无论是电源层还是接地层。

在实际应用中，通常采用统一接地，并将PCB划分为模拟区和数字区。模拟信号在所有PCB层的模拟区域内布线，而数字信号则在数字区域内布线。这样可以防止数字回流电流流入模拟地。

数字信号对模拟信号的干扰仅发生在数字信号通过模拟电路传输或反之亦然的情况下。其根本原因并非接地分割，而是数字信号路由不当。

在PCB设计中采用统一接地、划分数字电路和模拟电路以及合理的信号布线，通常可以解决复杂的布局和布线难题，而不会引入接地分割带来的潜在问题。在这种情况下，元件布局和划分对设计质量至关重要。通过合理的布局和布线，数字电路的接地电流被限制在数字部分，避免干扰模拟信号。这种布线需要仔细的检查和验证，以确保100%符合布线规则。否则，一条错误的信号线就可能毁掉一块原本优秀的PCB。

在连接模数转换器 (A/D 转换器) 的模拟地和数字地引脚时，大多数制造商建议将 AGND 和 DGND 引脚中引线最短的引脚连接到同一个低阻抗地（注意：大多数 A/D 转换器芯片内部不连接模拟地和数字地，因此需要外部引脚连接）。任何连接到 DGND 的外部阻抗都可能通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到 IC 的内部模拟电路中。按照此建议，A/D 转换器的 AGND 和 DGND 引脚都应连接到模拟地，但这又引出了一个问题：数字信号的去耦电容应该接地到哪里——模拟地还是数字地？

如果系统只有一个模数转换器，解决方案很简单。如图 3 所示，将地线分开，并将模数转换器下方的模拟地线和数字地线连接起来。连接时，确保连接两个地线的桥接部分与集成电路的宽度相同，并且没有信号线穿过该间隙。

如果系统中有很多模数转换器（例如10个），应该如何连接？如果每个模数转换器下方的模拟地和数字地都连接在一起，就会产生多个连接点，模拟地和数字地之间的隔离就失去了意义。如果不这样连接，就会违反制造商的要求。
最佳方案是从一开始就使用统一接地。如图 4 所示，统一接地分为模拟部分和数字部分。这种布局和布线方式不仅满足集成电路制造商对模拟和数字接地引脚之间低阻抗连接的要求，而且不会形成可能导致电磁兼容性问题的环形天线或偶极天线。

如果您对采用统一方式进行混合信号PCB设计有所疑虑，可以采用接地层分段法来布局和布线整个电路板。设计过程中，应注意使电路板在后续实验中更容易连接，例如使用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻。注意分区和布线，确保所有层上数字信号线均不位于模拟部分上方，模拟信号线也不位于数字部分上方。此外，任何信号线都不能跨越接地间隙或分割电源之间的间隙。为了测试电路板的功能和EMC性能，可以使用0欧姆电阻或跳线将两个接地层连接在一起，并重新测试电路板的功能和EMC性能。比较测试结果，可以发现，在几乎所有情况下，统一方式在功能和EMC性能方面都优于分段方式。

#土地分割的方法现在还适用吗？
该方法可用于以下三种情况：某些医疗设备要求与患者连接的电路和系统之间漏电流低；某些工业过程控制设备的输出可能连接到具有高噪声和高功率的机电设备；另一种情况是 PCB 的布局受到特定限制。
在混合信号PCB板上，通常采用独立的数字电源和模拟电源，并且可以使用分离式电源层。但是，紧邻电源层的信号线不能跨越电源层之间的间隙，所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大接地层的电路层上。在某些情况下，使用PCB连接线而非单一电源层来设计模拟电源可以避免分离电源层的问题。

混合信号PCB设计是一个复杂的过程，在设计过程中应注意以下几点：

1. 将PCB板分为独立的模拟部分和数字部分。
2. 组件布局合理。
3. A/D转换器放置在隔板两侧。
4. 不要分割地面。将电路板的模拟部分和数字部分均匀地铺设在地面下。
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进行布线。
6. 在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分进行布线。
7. 实现模拟电源和数字电源的分离。
8. 电线不能跨越分隔电源面之间的缝隙。
9. 必须穿过分体式电源间隙的信号线应位于紧邻大面积接地层的布线层上。
10. 分析电流回流到地面的实际路径和方式。
11. 遵循正确的布线规范。