混合电路电磁兼容设计与实例

中船重工第七一〇研究所 李 超 徐 博

1.引言

随着计算机技术和微电子技术的发展，信号处理电路更多的是涵盖了数字电路与模拟电路的混合电路。为了使高速数字电路能够稳定可靠的工作，在电路设计阶段必须考虑电磁兼容的问题，即干扰源、干扰接受器以及二者之间的耦合路径，尤其要注意电路内部走线引起的耦合干扰。本文主要对PCB的电磁兼容设计进行分析以及实例说明。

2.PCB的电磁兼容设计

PCB的电磁兼容性设计是解决电磁兼容性问题的一个重要措施。他可以使PCB板上的各部分电路相互间无干扰，都能正常工作；可以使PCB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到要求标准；可以使外部传导干扰和辐射干扰对印制板上的电路基本无影响。要满足电磁兼容性要求，应遵循PCB设计中的一些基本原则和注意事项。下面，分别从布局、布线、电源和地、时钟信号等方面来进行详细说明。

2.1 PCB的布局

在器件布置方面，原则上应将相互有关的器件尽量靠近，将数字电路、模拟电路及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开。PCB布局的一些基本原则如下：

(1)对时钟电路和高频电路等主要干扰和辐射源应单独安排，远离敏感电路；

(2)高频元器件尽可能缩短连线，以减少分布参数和相互间的电磁干扰；

(3)易受干扰元器件不能相互离得太近，输入输出尽量远离；

(4)元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组；

(5)接插件尽量摆放在PCB的一端，避免两侧引出I/O，减少共模辐射。

(6)易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路；

(7)去耦电容和旁路电容尽量贴近对应的管脚摆放。

(8)模拟信号输入端远离信号输出端，保证信号输入端的干净

(9)多级放大器行与行之间留有一定间隙，保证各路信号互不干扰，且级联不交叉。

2.2 PCB的布线

在PCB布线中增强电磁兼容性不仅不会给产品带来附加费用，而且会减少干扰和提高抗扰度。良好的布线习惯是经济有效的电磁兼容控制方法。PCB布线时一般先布时钟线和敏感信号线，然后布高速信号线。在确保此类信号线的过孔数最少、布线达到要求之后，再进行其他的信号线的布线。布线的一些基本原则如下：

(1)避免电路板导线的不连续性，线迹宽度不要突变、导线不拐直角，以减小高频信号对外的发射和耦合。

(2)不同频率、不同电流大小、不同模块的信号线应注意隔离，其信号走线要分隔开，不要平行，分布在不同层上的信号线走向应互相垂直，以减少线间电场和磁场耦合干扰。

(3)高速信号线特别是时钟信号的引线最易产生电磁辐射干扰。设计时走线应尽量靠近地线回路，以降低高频辐射场的耦合。特别注意要避免跨越地分割。

2.3 电源与地的电磁兼容设计

模拟电源与数字电源、模拟地与数字地的隔离，在高速数字电路的PCB设计中至关重要。在高速混合信号处理的电路设计中，由于既有模拟电路，又有数字电路，所以应该具有既独立又统一的模拟地与数字地。

首先对电源输出做相应的电磁兼容设计。

(1)电源输入端使用磁珠提高电源的抗干扰能力，还加入了大电容并联小电容的组合，大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高频阻低频。电容越大低频越容易通过。这样就很好滤除了电源处引入的干扰，提高了电源的抗干扰能力。

(2)芯片电源输入端采用RC滤波设计，滤除电源端引入的噪声源，提高电路抗干扰能力；对某些容易受到干扰的器件电源输入可采用LC滤波设计。

其次对地做相应的电磁兼容设计。PCB中包含既独立又统一的模拟地与数字地。独立是指为了使其电容耦合最小，两者不能交迭；统一是指模拟地与数字地在PCB上仅在一点用电感或磁珠相连。

同时还要保证地平面的完整性，地平面上尽量避免缝隙的产生。电流总是走阻抗最低的路径，低频的时候，信号走电阻最小的路径，即直线距离。高频的时候，信号走电感最好的路径，即信号线正下方的底线。因为此时的环路面积最小，环路的电感与环路面积成正比。所以，在划分地面时，最佳状态是地面上没有较大缝隙。

2.4 时钟信号的电磁兼容设计

关于时钟信号的电磁兼容处理，有以下注意事项：

(1)不要采用菊花链结构传送时钟信号，而应采用星型结构，即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。

(2)所有连接晶振输入/输出端的走线尽量短，以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。

(3)晶振电容地线应使用尽量宽而短的走线连接至器件上；离晶振最近的数字地引脚，应尽量减少过孔。

2.5 PCB的其他电磁兼容设计

在电路中大量使用高频去耦电容与大量钽电容。数字电路中，当逻辑门状态变化时，会在电源上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬间的噪声电压。这种情况普遍采用去耦电容，它为芯片提供了所需的电流，并且将电流变化局限在较小的范围内，减小了辐射。芯片的去耦电容摆放时，应尽量贴近对应的滤波管脚，可以减少相应阻抗，这能够很好地防止因输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。

在某些易受到干扰的信号采用隔离设计。例如增益控制部分模拟信号差分转换电路非常容易受到D/A数模转换电路的干扰，则设计时在它们之间加入了隔离放大器ISO124，并配套使用DCP010505DBP供电。

在模拟电路设计时整个中频预处理单元进行覆铜加以屏蔽，给放大器单独提供一组经过多级滤波处理的模拟电源等等，通过一系列的电磁兼容设计，来使电路的电磁兼容满足需求。

3.PCB实物案例

根据上述电磁兼容设计，最终绘制成PCB板及其成品如图1、图2、图3所示：

图1 信号采集板

图2 信号接收板

图3 PCB制板

4.PCB的电磁兼容设计验证

首先对FPGA之前的ADC采集电路进行电磁兼容设计验证：在接收机前端输入160kHz的正弦波，使用SignalTapⅡ监测到的ADC通道输出的数据波形如图4所示，各通道波形为所输入的正弦波，且无干扰，说明FPGA之前的ADC采集电路电磁兼容设计合格。

图4 ADC通道输出的数据波形

图5 工控机端单通道接收数据

然后对FPGA之后的数据上传电路进行电磁兼容验证：在FPGA内部构建数据源，用于产生顺序递增的测试数据，通过PCI总线上传至工控机保存。图5为工控机端单通道接收数据图，可以看出数据为顺序递增的，且无断点，说明FPGA之后的数据上传电路电磁兼容设计合格。

5.结束语

PCB板的设计要充分考虑电路系统的性能指标和电磁兼容性要求，应用以上原则和方法反复优化设计，可提高产品的电磁兼容性能。在设计过程中，要针对具体问题采取相应的措施，但随着PCB工艺的提高和电磁兼容学的深入发展，混合电路的电磁兼容性能也将有显著的提高。

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