混合信号PCB接地设计的基本准则

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于 2024-06-28 16:40:16 发布

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分类专栏：大话硬件文章标签：嵌入式硬件单片机硬件工程 pcb工艺 stm32 51单片机 mcu

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一、前言

接地是混合信号系统的PCB布局设计中的一个重要环节。对于设计人员来说，制定一套标准化接地方法不是一个简单的任务。例如，高质量接地的某个单一问题可能会影响高性能混合信号PCB设计的整个布局。典型4层PCB至少要有一层接地平面，以确保信号回流通过低阻抗路径返回。所有器件的接地引脚应路由并直接连接到低阻抗接地平面，确保串联电感和电阻降至最低。

下图为一个典型4层PCB的层级划分：

图1 典型4层PCB的层级划分

通常高性能系统的PCB有4层或更多层。顶层通常用于数字/模拟信号，而底层用于辅助信号。第二层（接地层）充当阻抗控制信号的参考平面，用于减少IR压降并屏蔽顶层中的数字信号。电源平面位于第三层。电源和接地平面必须彼此相邻，因为它们提供了额外的平面间电容，有助于电源的高频去耦。

二、接地平面是否要分离

对于接地层，这些年来针对混合信号设计的建议已改变。多年来，将接地平面分为模拟地和数字地两部分是有道理的，但是对于现代的混合信号器件，建议采用一种新方法。适当的平面规划和信号分离应能防止高噪声信号的相关问题。

对于混合信号系统，分离模拟和数字接地已成为一种标准接地方法。但是，具有低数字电流的混合信号器件最好通过单一接地进行管理。更进一步，设计人员必须根据混合信号电流需求考虑哪种接地做法最合适。设计人员须分别考虑两种接地做法。

三、单一的接地平面

对于具有单个低数字电流ADC或DAC的混合信号系统，单一的接地平面会是较好的方法。要理解单一接地层的重要性，就需要知道信号回流（Return Current）路径的概念。信号回流路径通常指的是驱动器沿PCB传输线到负载，再由负载沿着地或电源通过最短路径返回驱动器端，这之间的走线形成一个完整环路，这个在地或电源上的返回信号就称信号回流路径。为了避免混合信号的干扰，就需要跟踪PCB布局中的每条信号回流路径。

图2 采用单一接地平面的系统的信号回流路径

图2中显示了单一接地平面相对于分离接地平面的优势。对于器件之间的信号电流，它有大小相等且方向相反的信号回流。

对于低频信号，这个信号回流在接地平面中从负载端流回驱动端，它会沿着阻抗最小的路径返回。通常是器件接地基准点之间的直线。

对于高频信号，回流电流的一部分会尝试沿着信号路径返回。这是由于沿着该路径的阻抗较低，从而流出和返回的电流之间可实现最小环路。

四、模拟地和数字地分离

而对于难以通过单一接地平面接地的复杂系统，可以考虑分离接地平面。分离接地平面是将地平面分为两部分，分别为模拟地和数字地。这种方式适合电路中有比较多的混合信号元器件同时数字电流消耗较高的系统。图3显示了使用分离接地平面的情况。

图3 采用分离接地平面的系统的信号回流路径

当电路中采用了分离接地平面，为了实现系统整体接地，就需要消除地平面的阻断，这样是为了保证信号回流路径有直接的电流返回路线，可以让回流通过星型接地的交界处返回，所谓的星型接地就是在混合信号PCB布局中，模拟地平面和数字地平面连接在一起的交界的地方，星形接地的主要作用是确保两个接地具有相同的基准电平。对于更复杂的设计，星形接地通常用跳线分流到接地接头来实现。星形接地中没有电流流动，因此不需要承载高电流的接头和跳线分流器。

注意请勿在星形接地布置中的接地区域之间的间隙上布线。在下图中，有多个彼此分离的接地区域，并且在接地电源返回处重新组合。每个接地区域的形状非常复杂，但星形接地的要点是接地区域全部在一个点重新组合，即 PCB连接回电源的位置。任何情况下都不要在地面区域之间的间隙上布线，一旦布线就会产生一条具有大环路电路的返回路径，还会产生EMI辐射；因此使用星形接地的正确方法是仅在各自的接地区域上方布线。