pcb布线中地分割及其信号完整性

对于模拟地和信号地的分割首先要区分什么是模拟地。什么是信号地

一般芯片输出的模拟信号(比如连续变化的电压信号)对应的地是模拟地,
如果芯片输出的是数字信号(像1和0这样的)对应的是数字地,其次,一般芯片的datasheet上会表明引脚时AGND还是DGND
模拟器件和数字器件的区分
1. 输入和输出都是模拟信号,为模拟器件;
2. 输入是模拟信号,输出是数字信号,如A/D,可分为数字器件;
3. 输入是数字信号,输出是模拟信号,如D/A,可分为数字器件;

高速信号中为什么要将模拟地和数字地分开

举一个例子,假设一个公司有2个部门(模拟信号和数字信号)在同一大楼的2层和3层,但是却只有一个电梯(共用同一个参考平面或者回流平面),人流量少(低速信号)还好,但是在人流量多,上下班高峰期(高速信号)的时候,二者就会相互影响,上班时,信号部门要在模拟部门层停顿,下班回家时,模拟部门要等电梯先上信号层,这样就会浪费时间,影响效率(板子质量)。
下图更加形象解释2者共用同一个电梯带来的影响,

模拟电路和数字电路形成2个回路,由于框的阻抗不为0,在框的2个节点(A。B)之间就会形成电压差,如下图,二者之间的电场就会相互影响,串扰就形成了。

如何分开模拟地和信号地

前面分析了模拟信号和数字信号的回流由于共用同一个地(电梯)而相互影响,那自然可以建立2个电梯(将地分割成2个)来解决,但是由于二者属于同一个电源供电(公司),二者(模拟地和信号地)自然回通过某种方式连接在一起。先看看如何建立电梯,这里有2种方法主要看公司(板子的设计)的结构。

没有完整Gnd层

通常将地分为GND和AGND然后二者用0欧姆电或磁珠(后面会介绍二者的区别)进行单点连接,如下图:

因为二者路径会在小电阻或磁珠时共用,所以0欧姆电阻或磁珠的摆放在pcb layout时要格外注意,如下面一个例子:

之所以要注意0欧姆或磁珠的摆放,是因为这里的电阻或磁珠相当于一个“桥接”的作用,如果桥接合适,那么2个区域之间就只有一个连接点,电流无妨仅通过一个连接点流入另一个区域而又从同一点返回,这时,这两个区域是相互独立的,电流无妨流入或流出,如下图

有完整的GND层

这种情况下,只需将GND层分割成模拟地和数字地,在进行GND分割时,要保证分割后的模拟返回电流与数字返回电流拥有竟可能少的功能公共路径,形成桥接的作用,使他们之间的干扰越小越好,如下图:

磁珠和0欧姆电阻如何抉择

前面讲到在没有完整地层时可以将地分为GND和AGND然后二者用0欧姆电或磁珠进行单点连接,那么如何选择二者呢,这要看看二者的区别:
1. 磁珠可等价于电感和电阻的并联

由于电感的特性,磁珠只用于高频电路,低频时保留电感的完整特性(电感通低阻高);高频时用于抑制信号线、电源线上的高频噪声、尖峰干扰,还可以吸收静电脉冲。只对某个频点的噪声有显示抑制作用,所以说使用磁珠时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,最好使用0欧姆电阻代替。
2. 0欧姆电阻对各个频点的噪声都有抑制作用。
其几个主要作用如下
PCB布线时实在布不过去时,可考虑使用0欧姆电阻跨接

给电路留下测量接口,方便测量电流(主要),电压,将下面电阻拆掉即可

对于存在模拟地和数字地的情况下,需要单点接地,这时可考虑使用0欧姆电阻实现

信号回流路径

在解释高速信号不能跨越分割线前,先要解释下信号的回流路径问题。下面是摘自一篇论文的解释。


而如果高速信号回流平面不完整或被分割的,其信号的回流路径就会改变,如下图,回流信号无法流过开槽:


参考平面的裂缝加大了信号的回流路径,同其他信号的回流路径环路重叠,使之在走线之间形成互感,就会造成更大的辐射场强,增加串扰。

跨分割问题

平面分割往往会导致有些信号线在pcb走线时跨越分割,这样就会导致阻抗不连续,引起反射和干扰,如下图:

跨分割问题的解决

在pcb布线时我们应该尽量避免关键信号跨越gap,但是有时又不可避免出现跨分割现象,对于其解决方法也分2中情况:

参考平面被分开时电流返回路径的设计

先上图:
A:缝补电容



上图的缝补电容主要起的就是一个桥梁作用,使其回流路径最短
B:包地处理

信号变换参考平面时电流返回路径的设计

已下还是一篇论文中的分析,截图如下:

总结

对于信号完整性的知识还设计多个方面,在pcb layout时:
时钟,复位,100MHz以上的高速信号及其关键信号与敏感信号不能跨分割,至少有一个完整的参考平面,优选GND。
差分线信号要对地平衡,避免单线跨分割。

0

《pcb布线中地分割及其信号完整性》有一个想法

发表评论

电子邮件地址不会被公开。