混合电路电磁兼容设计与实例

【摘要】在设计电子产品时，除了满足特定的功能要求外，还必须考虑产品的电磁兼容性，这对产品的质量和性能技术指标起着非常关键的作用。本文主要介绍了PCB设计时一些常用的解决电磁兼容性问题的措施，主要包括PCB布局、PCB布线、电源与地、时钟信号等方面的电磁兼容设计。并结合具体的工程实例进行说明分析。

【关键词】混合电路；电磁兼容；PCB；

Abstract：In the design of electronic products，in addition to meet the requirements of specific functions，we must consider the electromagnetic compatibility of product，which plays a very important role in the quality of products and the technical indexes.This paper mainly introduces some common measures to solve the problem of EMC in PCB design，including PCB layout，PCB wiring，power source，ground，clock signal and other aspects of EMC design.It is also combined with specific engineering example to carry out the analysis.

Keywords：mixed-signal circuits；EMC；PCB

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。

参考文献

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