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混合信号 PCB 布局中的重叠平面
混合信号 PCB 布局中的重叠平面
电源平面，或者至少是用于电源的多边形浇注，在现代 PCB 中是必不可少的，而且我们所知道的数字系统如果不能够将电源网络分成不同的区域就存在是值得怀疑的。对于名义上在 DC 下运行的数字板（可能带有来自开关稳压器的一些叠加噪声），拆分电源层或使用多个电源层是将标准内核/逻辑级别的大电流路由到数字组件的必要条件。但是模拟电源网及其提供的电源呢？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混合到具有多个网络的电源层中，如果您不小心布局，就很难在设计中实现清洁电源。在高频下，当不同类型的平面区域重叠时，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电源和接地区域，或者在低层计数板中分离不同的电源区域。
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电源网络，甚至是什么特别适合作为接地。例如，假设您决定拥有一个仅模拟地平面和一个仅数字地平面（仅供参考，您可能不应该这样做）；如果这些平面部分在物理上断开连接，那么哪些定义为 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。
同样的问题适用于一对电源平面，或者更确切地说，任何一对由绝缘体隔开且它们之间具有非零电位差的导体。如果你认为这听起来像一个电容器，那么你是对的！任何时候你有两个被绝缘电介质隔开的平面或多边形，你就创造了一个电容器。这意味着电源平面将在它们之间产生电位时充电和放电，包括两个电源平面、两个接地平面或一对电源/接地平面。
考虑下面的多边形排列。紫色多边形为两个 IC 提供 VDD 电源，名义上是直流电压；相邻层被接地。浅蓝色区域是由不同稳压器提供的不同电压下的另一个直流网络。问题是：如果我们将这些堆叠在多层 PCB 中会发生什么？
重叠这些电源层是否合适，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，但是如果浅蓝色区域是模拟电源网络呢？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，以便我们不会在电路板的不同区域之间耦合噪声？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。两个平面层之间的电容在这里是有问题的，并且在高频下变得更成问题。
以下是如何更好地了解不同电位下重叠平面的影响，尤其是在混合信号 PCB 中。
重叠直流和模拟电源
当您将数字和模拟多边形或平面重叠时，由于模拟平面中的振荡，两个电源区域之间的电容将作为位移电流不断充电和放电。这在概念上如下所示：
两个平面之间的位移电流是一种噪声。该噪声电流在较高频率下会更大。
在高频和高功率下，例如当通过模拟电源总线为 RF 信号提供电源时，由于平面区域每一侧的振荡位移电流，平面之间的这种耦合会产生 RF 辐射。这在高 GHz 功率产品中可能会出现问题，然后会在电路板内部激发结构共振。如果不应用某些抑制步骤，例如使用过孔缝合或更复杂的多边形（如用于天线隔离的电子带隙结构），这会导致电路板产生强烈的边缘辐射。
使用单个未拆分的接地平面
当我写“un-split”时，我的意思是一个没有任何物理断开部分的地平面。建议将模拟电路和数字电路放在统一接地之上的不同区域，其想法是利用高频/高速返回路径来创建一些隔离。此外，这有助于消除在电路板上来回布线模拟/数字迹线的需要，从而减少串扰机会的数量。其中概述了为什么最好只使用统一的地平面。
两个不同电位的直流平面怎么样？
当您有两个不同直流电压的电源平面时，它们最初会充电到各自的直流电压，并且在这种稳定状态下，平面上不会有任何位移电流。然而，直流平面并不真正处于直流电位。请注意，由于来自开关稳压器的噪声，每个平面的电位可能只是名义上的 DC，每个平面中都叠加了一些开关噪声。可以在两个 DC 平面之间耦合的非典型噪声为：
来自稳压器的开关噪声，可以跨越许多谐波并达到高 MHz 水平
来自其他来源的噪声，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电源和多个直流电源网络的一种方法。确保尽可能将路由分隔到不同的区域。
概括
如果您将所有接地连接到作为系统接地的单个参考平面，那么您使用的任何接地都将（或应该）在系统中具有相同的 0 V 电位定义。这意味着模拟地和数字地之间的区别是没有意义的，我们只需要担心模拟和数字电源。