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如何对包含数模混合的 PCB 设计进行合理的控制

导读: 很多产品都包含数模混合的 PCB 设计,不同的信号具有不同的抗干扰能力。在互连设计过程中必须对不同信号之间的串扰进行合理的控制才能保证最终产品的指标要求。

对于以下基本概念的理解非常重要,掌握有关数模混合设计的基本概念,有助于理解后面制定得很严格的布局和布线设计规则,从而在终端产品数模混合的设计时,不会轻易打折执行其中的重要约束规则。并且有助于灵活有效地处理数模混合设计方面可能遇到的串扰问题。

1. 模拟信号与数字信号在抗干扰能力方面的重要区别

数字信号电平有较强的抗干扰能力,而模拟信号的抗干扰能力很差。

举个例子,3V 电平的数字信号,即使接收到 0.3V 的串扰信号,也可以容忍,不会对逻辑状态产生影响。但在模拟信号领域,有些信号极微弱,例如 GSM 手机的接收灵敏度能够做到-110dBm 的指标,仅相当于 0.7uV 的正弦波有效值。在 LNA 前端即使接收到 uV 数量级的带内干扰噪声,也足以使基站接收灵敏度大幅度劣化。这种轻微干扰可能来自数字控制信号线或电源地线上的细小的噪声。

从系统的观点来看,数字信号一般只在板上或框内传送。比如内存总线信号、电源控制信号等,只要保证从发送端到接收端接收到的干扰不足以影响逻辑状态的判别即可。而模拟信号需要经过调制、变频、放大、发射、空间传播、接收、解调等一系列过程才能被回复。在此过程之中噪声不断地跌价到信号上,从系统的角度来讲必须保证最终的信噪比满足要求才能正确解调。最大的干扰来自空间传播的衰减和噪声,为了达到更好的通讯性能,必须尽可能减小板内互连引入的串扰。

因此可以认为,模拟信号对串扰的要求比数字信号高几十倍,甚至有可能达到几万倍。

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2. 高精度 ADC、DAC 电路

理想情况下,线性 ADC、DAC 电路信噪比与转换位数间的关系是:

SNR=10Log(F2/N2)=10Log[A2/2/(A2/3×2n)]=6.02n+1.76 dB

对于14位的线性ADC、DAC,如果使最低位数据(LSB)有效,可计算出的理论上的信噪比为 86dBc,与数字电路约 20dBc 的串扰要求相比,高精度 14 位线性 ADC、DAC 对噪声的要求至少比数字信号高 1000 倍。当然,如果最低有效位数只需要 11 位,串扰要求就可以适当放低,但仍然比数字信号的要求高很多。

上面的两种情况,说明数模混合单板中,模拟电路极易受到干扰,会影响信噪比等指标。所以在数模混合单板 PCB 设计过程中,要对布局布线提出很高的要求。

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3. 数字信号对于模拟信号是强干扰源

数字信号的电平相对于模拟信号来讲非常高,并且数字信号包含有丰富的谐波频率,因此数字信号对于模拟信号而言,本身就是很强的干扰源。特别是大电流的时钟信号、开关电源等更是在数模混合设计中需要关注的强干扰源。

4. 数模混合互连设计的根本目的

我们可以这样来理解数模设计问题,对于数字电路我们遵循数字电路的设计规则,在数字电路区域, 可以允许较大的干扰存在, 只要不影响系统功能实现和对外 EMC 指标即可。

我们这里所讲的“较大”是相对于模拟电路而言的。对于数字电路,我们没有必要也不可能象对待模拟电路一样地控制串扰的存在。对于模拟电路,我们必须遵循模拟电路的设计规则,在模拟电路区域所允许存在的干扰远远小于数字电路区域。

数模混合互连设计的目的就是要通过合理的布局、布线、屏蔽、滤波、电源地分割等设计方法来保证数字信号的干扰只存在于数字信号区域。

我们需要重点关注的内容包括干扰源、敏感电路、干扰途径。下面将从这 3 个方面来讲述采用的布局布线原则。成功的数模混合单板设计必须仔细注意整个过程中每个步骤及每个细节才有可能实现,这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划,并对每个设计步骤的工作进展进行全面持续地评估。对于布局和布线必须仔细地检查和核对,要保证百分之百遵守布局布线规则。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

规则是死的,透过规则深刻理解原则才能保证我们能正确运用规则,完成优秀的设计。

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