混合信号 PCB 布局中的重叠平面

2021-07-01

混合信号 PCB 布局中的重叠平面

電(diàn)源平面，或者至少是用(yòng)于電(diàn)源的多(duō)边形浇注，在现代 PCB 中是必不可(kě)少的，而且我们所知道的数字系统如果不能(néng)够将電(diàn)源网络分(fēn)成不同的區(qū)域就存在是值得怀疑的。对于名义上在 DC 下运行的数字板（可(kě)能(néng)带有(yǒu)来自开关稳压器的一些叠加噪声），拆分(fēn)電(diàn)源层或使用(yòng)多(duō)个電(diàn)源层是将标准内核/逻辑级别的大電(diàn)流路由到数字组件的必要条件。但是模拟電(diàn)源网及其提供的電(diàn)源呢(ne)？我们如何将这些整合到混合信号 PCB 布局中？

一旦您开始将模拟和数字部分(fēn)混合到具有(yǒu)多(duō)个网络的電(diàn)源层中，如果您不小(xiǎo)心布局，就很(hěn)难在设计中实现清洁電(diàn)源。在高频下，当不同类型的平面區(qū)域重叠时，这会在高达 RF 频率时产生明显的 EMI 问题。在这种情况下，我们需要考虑如何在高层计数板中交错電(diàn)源和接地區(qū)域，或者在低层计数板中分(fēn)离不同的電(diàn)源區(qū)域。

混合信号平面问题

在混合信号 PCB 布局、平面设计和叠层设计中反复出现的一大争论是如何布置接地和電(diàn)源网络，甚至是什么特别适合作為(wèi)接地。例如，假设您决定拥有(yǒu)一个仅模拟地平面和一个仅数字地平面（仅供参考，您可(kě)能(néng)不应该这样做）；如果这些平面部分(fēn)在物(wù)理(lǐ)上断开连接，那么哪些定义為(wèi) 0 V？如果它们与上限连接，它们是否仅共享相同的潜力？这不是一个微不足道的问题。

同样的问题适用(yòng)于一对電(diàn)源平面，或者更确切地说，任何一对由绝缘體(tǐ)隔开且它们之间具有(yǒu)非零電(diàn)位差的导體(tǐ)。如果你认為(wèi)这听起来像一个電(diàn)容器，那么你是对的！任何时候你有(yǒu)两个被绝缘電(diàn)介质隔开的平面或多(duō)边形，你就创造了一个電(diàn)容器。这意味着電(diàn)源平面将在它们之间产生電(diàn)位时充電(diàn)和放電(diàn)，包括两个電(diàn)源平面、两个接地平面或一对電(diàn)源/接地平面。

考虑下面的多(duō)边形排列。紫色多(duō)边形為(wèi)两个 IC 提供 VDD 電(diàn)源，名义上是直流電(diàn)压；相邻层被接地。浅蓝色區(qū)域是由不同稳压器提供的不同電(diàn)压下的另一个直流网络。问题是：如果我们将这些堆叠在多(duō)层 PCB 中会发生什么？

重叠这些電(diàn)源层是否合适，还是应该在同一层中保持间隙？

上面的安排显示了两个直流网络，我将在后面更详细地讨论这种情况，但是如果浅蓝色區(qū)域是模拟電(diàn)源网络呢(ne)？在混合信号 PCB 布局中，我们不得不问一个问题，我们应该如何安排重叠的平面，以便我们不会在電(diàn)路板的不同區(qū)域之间耦合噪声？请记住，混合信号 PCB 布局的主要挑战之一是防止模拟和数字信号之间的意外干扰，这主要会降低模拟信号的性能(néng)。两个平面层之间的電(diàn)容在这里是有(yǒu)问题的，并且在高频下变得更成问题。

以下是如何更好地了解不同電(diàn)位下重叠平面的影响，尤其是在混合信号 PCB 中。

重叠直流和模拟電(diàn)源

当您将数字和模拟多(duō)边形或平面重叠时，由于模拟平面中的振荡，两个電(diàn)源區(qū)域之间的電(diàn)容将作為(wèi)位移電(diàn)流不断充電(diàn)和放電(diàn)。这在概念上如下所示：

两个平面之间的位移電(diàn)流是一种噪声。该噪声電(diàn)流在较高频率下会更大。

在高频和高功率下，例如当通过模拟電(diàn)源总線(xiàn)為(wèi) RF 信号提供電(diàn)源时，由于平面區(qū)域每一侧的振荡位移電(diàn)流，平面之间的这种耦合会产生 RF 辐射。这在高 GHz 功率产品中可(kě)能(néng)会出现问题，然后会在電(diàn)路板内部激发结构共振。如果不应用(yòng)某些抑制步骤，例如使用(yòng)过孔缝合或更复杂的多(duō)边形（如用(yòng)于天線(xiàn)隔离的電(diàn)子带隙结构），这会导致電(diàn)路板产生强烈的边缘辐射。

使用(yòng)单个未拆分(fēn)的接地平面

当我写“un-split”时，我的意思是一个没有(yǒu)任何物(wù)理(lǐ)断开部分(fēn)的地平面。建议将模拟電(diàn)路和数字電(diàn)路放在统一接地之上的不同區(qū)域，其想法是利用(yòng)高频/高速返回路径来创建一些隔离。此外，这有(yǒu)助于消除在電(diàn)路板上来回布線(xiàn)模拟/数字迹線(xiàn)的需要，从而减少串扰机会的数量。其中概述了為(wèi)什么最好只使用(yòng)统一的地平面。

两个不同電(diàn)位的直流平面怎么样？

当您有(yǒu)两个不同直流電(diàn)压的電(diàn)源平面时，它们最初会充電(diàn)到各自的直流電(diàn)压，并且在这种稳定状态下，平面上不会有(yǒu)任何位移電(diàn)流。然而，直流平面并不真正处于直流電(diàn)位。请注意，由于来自开关稳压器的噪声，每个平面的電(diàn)位可(kě)能(néng)只是名义上的 DC，每个平面中都叠加了一些开关噪声。可(kě)以在两个 DC 平面之间耦合的非典型噪声為(wèi)：

来自稳压器的开关噪声，可(kě)以跨越许多(duō)谐波并达到高 MHz 水平

来自其他(tā)来源的噪声，例如共模噪声或从外部辐射器接收的任何 EMI

这是在 PCB 中统一接地平面上布置模拟電(diàn)源和多(duō)个直流電(diàn)源网络的一种方法。确保尽可(kě)能(néng)将路由分(fēn)隔到不同的區(qū)域。

概括

如果您将所有(yǒu)接地连接到作為(wèi)系统接地的单个参考平面，那么您使用(yòng)的任何接地都将（或应该）在系统中具有(yǒu)相同的 0 V 電(diàn)位定义。这意味着模拟地和数字地之间的區(qū)别是没有(yǒu)意义的，我们只需要担心模拟和数字電(diàn)源。