小型物联网产品中射频与数字的分离
由于集肤效应，高频电流倾向于沿着轨迹或平面的表面流动，因此可以使用返回平面的两侧来隔离信号或功率返回电流。理论上，您可以在平面上方的相邻轨迹上运行“噪声”信号，而在同一平面下方的相邻轨迹上运行“安静”信号，并且两者不应该耦合。
下面是一个使用此概念的堆栈思想，并已被移动设备制造商成功地使用(参见图13)。如果我们用所有的射频/无线组件填充板的顶部，用数字、功率转换和控制填充板的底部(同时小心地为从顶部到底部的所有信号添加返回路径)，来自顶部的场能量不应该污染底部，反之亦然。
图13通过将底部有噪声的数字电路与顶部有污染的敏感射频电路分开来划分的概念。
注意，我们保持主配电(通常3.3 V)在堆叠的中心。非常复杂的电路或更大的层堆叠可能需要额外的功率/返回平面层，这些层最好位于顶部和底部层附近，这取决于电路功能的数量。我最近参与的一个例子是一个移动视频平台，它拥有蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、数字视频和音频，它使用了10层堆叠来分离功能块。当然，有很多方法可以实现这一目标。图13只是一个例子。
路由技术和其他问题
回程平面的间隙:所有回程平面应尽可能坚固，设计时不应有长间隙或槽(见图14)。当高频轨迹穿过返回路径的间隙时，会产生共模电流源，通常会在整个电路板上耦合，并产生辐射发射故障的可能性，并耦合到敏感的接收模块。参考文献2和3。
图14本例中有两个问题;我们有一个数字信号穿过地平面(GRP)的两个间隙，它也穿过一个“安静的”模拟平面。
该间隙还会导致介电空间内的场泄漏，它可以从其他信号耦合到附近的通孔，导致不必要的耦合。它还会导致“边缘辐射”直接从电路板进入天线。当共模电流的谐波频率接近电缆或板尺寸的1/4到1/2波长时，辐射发射的效率增加。见文献11。
分割平面:许多A/D和D/A制造商建议将分割模拟平面和数字平面作为隔离数字噪声电流与敏感模拟信号的一种方法(参见图15)。
图15对于A/D或D/A电路，通常建议采用分割平面的概念。
这仍然是一个持续的争论，我的观点是，有某些条件可以保证这种技术，比如汽车信息娱乐系统中的低级音频电路，你会希望模拟返回与数字返回隔离开来。但对于大多数设计，如果正确使用分区，它将固有地在噪声和敏感电路功能之间提供隔离，即使对于A/D和D/A应用程序也是如此。对于后一种情况，重要的是保持模拟痕迹远离数字痕迹。很明显，我们不想在这个缺口上留下任何痕迹。
分离平面的真正问题是两个平面之间可能存在一些高频电压差。如果平面及其连接的I/O电缆接近半波长的重要部分，则可以将其建模为偶极天线，并导致辐射发射和各种抗扰问题(见图16)。
图16两个独立的平面之间可以有一个射频电压势，然后像偶极天线一样辐射。
少数例外之一(还有其他一些例外，如远程传感器)是线操作医疗设备对患者隔离的需求。图17显示了一个典型的地面返回图，其中模拟探针处理参考模拟返回，数字处理电路参考数字返回，电源参考地球。理想情况下，数字和电源返回将在电源连接器连接在一起。隔离器件可以是专用隔离耦合器IC、光耦合器或若干其他类似器件。
图17患者连接监视器的典型接地配置。
最小化电磁干扰的其他指南
时钟振荡器/晶体/驱动器:这些应该位于电路板(或数字分区)的中心，靠近它们驱动的设备，远离电路板边缘，特别是I/O或电源连接器。
时钟轨迹:所有的时钟轨迹都应该是短而直接的。避免沿着板边运行这些，因为这可能会物理耦合到板边，导致板共振和随之而来的板辐射。
I/O和电源连接器:I/O和电源连接器应位于单板的单一边缘，并尽可能靠近彼此。随着连接器之间的距离越来越远，可以测量从一个连接器体到另一个连接器体之间增加emi相关射频电压的几率。通过电缆连接，可以将其建模为驱动偶极子天线的射频源。我们希望通过将所有连接器放置在一起来最小化它们之间的射频电压降。最坏的情况是在板的两侧都有连接器，有噪声源驱动共同电流到连接的电缆。
射频模块传输线:所有天线传输线应短且直接到天线或天线端口连接器。它们可能被埋在两个返回平面之间，并可能规定八层或更多层，以便通过传输线上下层中的“拒接”区域实现50欧姆阻抗。通常，最好遵循模块制造商的指导。
以太网连接器:通常，在以太网连接器磁性正下方的接地返回(和电源)平面上应该有一个空隙，以减少来自板的噪声电容耦合。然而，可能有特殊情况下，连接器制造商另有建议，特别是，如果常见的电流分流电容器包括在连接器下的返回平面，以额外的EMI抑制。在这种情况下，返回平面应该只延伸到电容器。
都市传说
多个十年间隔去耦电容:在集成电路的电源引脚上增加一系列(通常)三个电容，如10、1和0.1 μF电容(或类似)，被认为有助于均匀频率响应，降低配电网络中的整体阻抗。所有这些实际上都是由于各种串联互连电感而产生并行谐振的可能性(文献12)。最好坚持相同的价值。
地面灌注(或填充):尽管许多人建议这样做，但用“地面灌注”填充信号轨迹之间的所有空间并不总是一个好做法。它实际上很少有帮助，有一个机会，它可以导致更高的串扰由于共振耦合之间的痕迹。(参考18)。
90度转弯:已经很好地证明，对于正常的数字轨迹(至少到几GHz)，没有必要倒角或圆角。在需要的地方做90度弯曲是可以的(参考文献13、14和15)。
20H规则:还有所谓的“20H规则”，即电源平面应该从返回平面的边缘向后设置20倍的电介质厚度(h)。这应该有助于减少边缘场。如果没有别的，对准平面允许在所有地面平面之间添加短通孔的可能性。(参考文献16和17)。
总结
在实践中，为复杂电路设计真正的PC板需要对电磁场有一定的了解。在电路的划分、堆叠决策以及功率和高频信号的路由之间总是存在权衡。然而，如果遵循基本的设计规则:
1.为信号和电源分配层保持一个相邻的返回平面。
2.当信号在层间转换时，设计一个低阻抗的返回路径。
3.尽可能划分不同的电路功能。
这样你就有更大的机会让噪声信号远离安静的信号，辐射发射、辐射免疫、ESD和无线自干扰的风险也会大大降低。
我最近有幸参与的大多数项目都是物联网产品，在这些产品中，从一开始就正确设计划分和电路板堆叠和路由对于成功非常重要，不仅对于降低EMI，而且对于板上无线和物联网接收器的适当接收器灵敏度也非常重要。
记住，高频数字信号在电介质空间内传播，而不是通过铜。这将决定叠层设计。一旦认识到这一点，就可以避免有噪声的数字信号与低水平模拟信号或射频信号共享相同的电介质空间的问题，并且第一次就有更大的机会得到正确的解决。
我要感谢物理学家Ralph Morrison(参考文献19)的帮助和学习，他几年前就意识到在设计电路板时必须考虑领域，Rick Hartley教授了一个关于低EMI和最佳信号完整性的PC板设计的优秀两天研讨会。我还要感谢恩智浦半导体的高级应用工程师Daniel Beeker和Eric Bogatin博士的帮助，Eric Bogatin博士是《信号完整性期刊》的技术编辑，同时也是Teledyne LeCroy的信号完整性倡导者，也是科罗拉多大学博尔德分校的兼职教授，他们都帮助我把场论的概念打造成了我的头脑。
参考文献
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6.R. Morrison，“数字电路板- Mach 1 GHz”，Wiley, 2012。
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19.r·莫里森https://www.ralphmorrison.com．