淺談PCB布線設(shè)計(jì)策略

淺談PCB布線設(shè)計(jì)系列之一

在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的電池供電市場(chǎng)中，由于成本指標(biāo)限制，設(shè)計(jì)人員常常使用雙面板。盡管多層板(4層、6層及8層)方案在尺寸、噪聲和性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，成本壓力卻促使工程師們重新考慮其布線策略，采用雙面板。在本文中，我們將討論自動(dòng)布線功能的正確使用和錯(cuò)誤使用，有無(wú)地平面時(shí)電流回路的設(shè)計(jì)策略，以及對(duì)雙面板元件布局的建議。

一、自動(dòng)布線的優(yōu)缺點(diǎn)以及模擬電路布線的注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)PCB時(shí)，往往很想使用自動(dòng)布線。通常，純數(shù)字的電路板(尤其信號(hào)電平比較低，電路密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，在設(shè)計(jì)模擬、混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果采用布線軟件的自動(dòng)布線工具，可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，甚至很可能帶來(lái)嚴(yán)重的電路性能問(wèn)題。

例如，圖1中顯示了一個(gè)采用自動(dòng)布線設(shè)計(jì)的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示，這些布線層的電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設(shè)計(jì)此混合信號(hào)電路板時(shí)，經(jīng)仔細(xì)考慮，將器件手工放在板上，以便將數(shù)字和模擬器件分開(kāi)放置。

采用這種布線方案時(shí)，有幾個(gè)方面需要注意，但最麻煩的是接地。如果在頂層布地線，則頂層的器件都通過(guò)走線接地。器件還在底層接地，頂層和底層的地線通過(guò)電路板最右側(cè)的過(guò)孔連接。當(dāng)檢查這種布線策略時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)的弊端是存在多個(gè)地環(huán)路。另外，還會(huì)發(fā)現(xiàn)底層的地線返回路徑被水平信號(hào)線隔斷了。這種接地方案的可取之處是，模擬器件(12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3202和2.5V參考電壓源MCP4125)放在電路板的最右側(cè)，這種布局確保了這些模擬芯片下面不會(huì)有數(shù)字地信號(hào)經(jīng)過(guò)。

圖3a和圖3b所示電路的手工布線如圖4、圖5所示。在手工布線時(shí)，為確保正確實(shí)現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面和數(shù)字地平面分開(kāi)；如果地平面被信號(hào)走線隔斷，為降低對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數(shù)字開(kāi)關(guān)引起的di/dt效應(yīng)。

這兩種雙面板都在底層布有地平面，這種做法是為了方便工程師解決問(wèn)題，使其可快速明了電路板的布線。廠商的演示板和評(píng)估板通常采用這種布線策略。但是，更為普遍的做法是將地平面布在電路板頂層，以降低電磁干擾。

圖1 采用自動(dòng)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的頂層

圖2 采用自動(dòng)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層

圖3a 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的電路原理圖

圖3b 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的模擬部分電路原理圖

二、有無(wú)地平面時(shí)的電流回路設(shè)計(jì)

對(duì)于電流回路，需要注意如下基本事項(xiàng)：

如果使用走線，應(yīng)將其盡量加粗。PCB上的接地連接如要考慮走線時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)將走線盡量加粗。這是一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則，但要知道，接地線的最小寬度是從此點(diǎn)到末端的有效寬度，此處“末端”指距離電源連接端最遠(yuǎn)的點(diǎn)。

應(yīng)避免地環(huán)路。

如果不能采用地平面，應(yīng)采用星形連接策略(見(jiàn)圖6)。通過(guò)這種方法，地電流獨(dú)立返回電源連接端。圖6中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4條和第5條準(zhǔn)則，是可以這樣做的。

數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件。數(shù)字器件開(kāi)關(guān)時(shí)，回路中的數(shù)字電流相當(dāng)大，但只是瞬時(shí)的，這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對(duì)于地平面或接地走線的感抗部分，計(jì)算公式為V = Ldi/dt，其中V是產(chǎn)生的電壓，L是地平面或接地走線的感抗，di是數(shù)字器件的電流變化，dt是持續(xù)時(shí)間。對(duì)地線阻抗部分的影響，其計(jì)算公式為V= RI, 其中，V是產(chǎn)生的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數(shù)字器件引起的電流變化。經(jīng)過(guò)模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系(即信號(hào)的對(duì)地電壓)。

高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件。與上述類似，高速電路的地返回信號(hào)也會(huì)造成地平面的電壓發(fā)生變化。此干擾的計(jì)算公式和上述相同，對(duì)于地平面或接地走線的感抗：V = Ldi/dt；對(duì)于地平面或接地走線的阻抗：V = RI。與數(shù)字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經(jīng)過(guò)模擬器件時(shí)，地線上的電壓變化會(huì)改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系。

圖4 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的頂層

圖5 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層

圖6 如果不能采用地平面，可以采用“星形”布線策略來(lái)處理電流回路

圖7 分隔開(kāi)的地平面有時(shí)比連續(xù)的地平面有效，圖b)接地布線策略比圖a) 的接地策略理想

不管使用何種技術(shù)，接地回路必須設(shè)計(jì)為最小阻抗和容抗。

如使用地平面，分隔開(kāi)地平面可能改善或降低電路性能，因此要謹(jǐn)慎使用。

分開(kāi)模擬和數(shù)字地平面的有效方法如圖7所示。圖7中，精密模擬電路更靠近接插件，但是與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和電源電路的開(kāi)關(guān)電流隔離開(kāi)了。這是分隔開(kāi)接地回路的非常有效的方法，我們?cè)谇懊嬗懻摰膱D4和圖5的布線也采用了這種技術(shù)。

淺談PCB布線設(shè)計(jì)系列之二

工程領(lǐng)域中的數(shù)字設(shè)計(jì)人員和數(shù)字電路板設(shè)計(jì)專家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。盡管對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)的重視帶來(lái)了電子產(chǎn)品的重大發(fā)展，但仍然存在，而且還會(huì)一直存在一部分與模擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口的電路設(shè)計(jì)。模擬和數(shù)字領(lǐng)域的布線策略有一些類似之處，但要獲得更好的結(jié)果時(shí)，由于其布線策略不同，簡(jiǎn)單電路布線設(shè)計(jì)就不再是最優(yōu)方案了。本文就旁路電容、電源、地線設(shè)計(jì)、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMI)等幾個(gè)方面，討論模擬和數(shù)字布線的基本相似之處及差別。

一、模擬和數(shù)字布線策略的相似之處?

1、旁路或去耦電容

在布線時(shí)，模擬器件和數(shù)字器件都需要這些類型的電容，都需要靠近其電源引腳連接一個(gè)電容，此電容值通常為0.1mF。系統(tǒng)供電電源側(cè)需要另一類電容，通常此電容值大約為10mF。

這些電容的位置如圖1所示。電容取值范圍為推薦值的1/10至10倍之間。但引腳須較短，且要盡量靠近器件(對(duì)于0.1mF電容)或供電電源(對(duì)于10mF電容)。在電路板上加旁路或去耦電容，以及這些電容在板上的位置，對(duì)于數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)都屬于常識(shí)。但有趣的是，其原因卻有所不同。在模擬布線設(shè)計(jì)中，旁路電容通常用于旁路電源上的高頻信號(hào)，如果不加旁路電容，這些高頻信號(hào)可能通過(guò)電源引腳進(jìn)入敏感的模擬芯片。一般來(lái)說(shuō)，這些高頻信號(hào)的頻率超出模擬器件抑制高頻信號(hào)的能力。如果在模擬電路中不使用旁路電容的話，就可能在信號(hào)路徑上引入噪聲，更嚴(yán)重的情況甚至?xí)鹫駝?dòng)。

圖1 在模擬和數(shù)字PCB設(shè)計(jì)中，旁路或去耦電容(1mF)應(yīng)盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容(10mF)應(yīng)放置在電路板的電源線入口處。所有情況下，這些電容的引腳都應(yīng)較短

圖2 在此電路板上，使用不同的路線來(lái)布電源線和地線，由于這種不恰當(dāng)?shù)呐浜?，電路板?a target="_blank">電子元器件和線路受電磁干擾的可能性比較大

圖3 在此單面板中，到電路板上器件的電源線和地線彼此靠近。此電路板中電源線和地線的配合比圖2中恰當(dāng)。電路板中電子元器件和線路受電磁干擾(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或約54倍。

對(duì)于控制器和處理器這樣的數(shù)字器件，同樣需要去耦電容，但原因不同。這些電容的一個(gè)功能是用作“微型”電荷庫(kù)。在數(shù)字電路中，執(zhí)行門狀態(tài)的切換通常需要很大的電流。由于開(kāi)關(guān)時(shí)芯片上產(chǎn)生開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流并流經(jīng)電路板，有額外的“備用”電荷是有利的。如果執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)沒(méi)有足夠的電荷，會(huì)造成電源電壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平進(jìn)入不確定狀態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài)機(jī)錯(cuò)誤運(yùn)行。流經(jīng)電路板走線的開(kāi)關(guān)電流將引起電壓發(fā)生變化，電路板走線存在寄生電感，可采用如下公式計(jì)算電壓的變化：V = LdI/dt；其中，V = 電壓的變化；L = 電路板走線感抗；dI = 流經(jīng)走線的電流變化；dt =電流變化的時(shí)間。

因此，基于多種原因，在供電電源處或有源器件的電源引腳處施加旁路(或去耦)電容是較好的做法。

2、電源線和地線要布在一起

電源線和地線的位置良好配合，可以降低電磁干擾的可能性。如果電源線和地線配合不當(dāng)，會(huì)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)環(huán)路，并很可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。電源線和地線配合不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計(jì)示例如圖2所示。此電路板上，設(shè)計(jì)出的環(huán)路面積為697cm2。采用圖3所示的方法，電路板上或電路板外的輻射噪聲在環(huán)路中感應(yīng)電壓的可能性可大為降低。　

二、模擬和數(shù)字領(lǐng)域布線策略的不同之處?

1、地平面是個(gè)難題

電路板布線的基本知識(shí)既適用于模擬電路，也適用于數(shù)字電路。一個(gè)基本的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是使用不間斷的地平面，這一常識(shí)降低了數(shù)字電路中的dI/dt(電流隨時(shí)間的變化)效應(yīng)，這一效應(yīng)會(huì)改變地的電勢(shì)并會(huì)使噪聲進(jìn)入模擬電路。數(shù)字和模擬電路的布線技巧基本相同，但有一點(diǎn)除外。對(duì)于模擬電路，還有另外一點(diǎn)需要注意，就是要將數(shù)字信號(hào)線和地平面中的回路盡量遠(yuǎn)離模擬電路。這一點(diǎn)可以通過(guò)如下做法來(lái)實(shí)現(xiàn)：將模擬地平面單獨(dú)連接到系統(tǒng)地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠(yuǎn)端，也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號(hào)路徑所受到的外部干擾最小。對(duì)于數(shù)字電路就不需要這樣做，數(shù)字電路可容忍地平面上的大量噪聲，而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題?！?/p>

圖4 (左)將數(shù)字開(kāi)關(guān)動(dòng)作和模擬電路隔離，將電路的數(shù)字和模擬部分分開(kāi)。 (右) 要盡可能將高頻和低頻分開(kāi)，高頻元件要靠近電路板的接插件

圖5 在PCB上布兩條靠近的走線，很容易形成寄生電容。由于這種電容的存在，在一條走線上的快速電壓變化，可在另一條走線上產(chǎn)生電流信號(hào)

圖6 如果不注意走線的放置，PCB中的走線可能產(chǎn)生線路感抗和互感。這種寄生電感對(duì)于包含數(shù)字開(kāi)關(guān)電路的電路運(yùn)行是非常有害的。

2、元件的位置

如上所述，在每個(gè)PCB設(shè)計(jì)中，電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字電路“富含”噪聲，而且對(duì)噪聲不敏感(因?yàn)閿?shù)字電路有較大的電壓噪聲容限)；相反，模擬電路的電壓噪聲容限就小得多。兩者之中，模擬電路對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲最為敏感。在混合信號(hào)系統(tǒng)的布線中，這兩種電路要分隔開(kāi)，如圖4所示。

3、PCB設(shè)計(jì)產(chǎn)生的寄生元件

PCB設(shè)計(jì)中很容易形成可能產(chǎn)生問(wèn)題的兩種基本寄生元件：寄生電容和寄生電感。設(shè)計(jì)電路板時(shí)，放置兩條彼此靠近的走線就會(huì)產(chǎn)生寄生電容?？梢赃@樣做：在不同的兩層，將一條走線放置在另一條走線的上方；或者在同一層，將一條走線放置在另一條走線的旁邊，如圖5所示。在這兩種走線配置中，一條走線上電壓隨時(shí)間的變化(dV/dt)可能在另一條走線上產(chǎn)生電流。如果另一條走線是高阻抗的，電場(chǎng)產(chǎn)生的電流將轉(zhuǎn)化為電壓。

快速電壓瞬變最常發(fā)生在模擬信號(hào)設(shè)計(jì)的數(shù)字側(cè)。如果發(fā)生快速電壓瞬變的走線靠近高阻抗模擬走線，這種誤差將嚴(yán)重影響模擬電路的精度。在這種環(huán)境中，模擬電路有兩個(gè)不利的方面：其噪聲容限比數(shù)字電路低得多；高阻抗走線比較常見(jiàn)。

采用下述兩種技術(shù)之一可以減少這種現(xiàn)象。最常用的技術(shù)是根據(jù)電容的方程，改變走線之間的尺寸。要改變的最有效尺寸是兩條走線之間的距離。應(yīng)該注意，變量d在電容方程的分母中，d增加，容抗會(huì)降低。可改變的另一個(gè)變量是兩條走線的長(zhǎng)度。在這種情況下，長(zhǎng)度L降低，兩條走線之間的容抗也會(huì)降低。

另一種技術(shù)是在這兩條走線之間布地線。地線是低阻抗的，而且添加這樣的另外一條走線將削弱產(chǎn)生干擾的電場(chǎng)，如圖5所示。

電路板中寄生電感產(chǎn)生的原理與寄生電容形成的原理類似。也是布兩條走線，在不同的兩層，將一條走線放置在另一條走線的上方；或者在同一層，將一條走線放置在另一條的旁邊，如圖6所示。在這兩種走線配置中，一條走線上電流隨時(shí)間的變化(dI/dt)，由于這條走線的感抗，會(huì)在同一條走線上產(chǎn)生電壓；并由于互感的存在，會(huì)在另一條走線上產(chǎn)生成比例的電流。如果在第一條走線上的電壓變化足夠大，干擾可能會(huì)降低數(shù)字電路的電壓容限而產(chǎn)生誤差。并不只是在數(shù)字電路中才會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象在數(shù)字電路中比較常見(jiàn)，因?yàn)閿?shù)字電路中存在較大的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)電流。

為消除電磁干擾源的潛在噪聲，最好將“安靜”的模擬線路和噪聲I/O端口分開(kāi)。要設(shè)法實(shí)現(xiàn)低阻抗的電源和地網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)盡量減小數(shù)字電路導(dǎo)線的感抗，盡量降低模擬電路的電容耦合。　

三、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字和模擬范圍確定后，謹(jǐn)慎地布線對(duì)獲得成功的PCB至關(guān)重要。布線策略通常作為經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則向大家介紹，因?yàn)楹茈y在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試出產(chǎn)品的最終成功與否。因此，盡管數(shù)字和模擬電路的布線策略存在相似之處，還是要認(rèn)識(shí)到并認(rèn)真對(duì)待其布線策略的差別。

淺談PCB布線設(shè)計(jì)系列之三

布線需要考慮的問(wèn)題很多，但是最基本的的還是要做到周密，謹(jǐn)慎。

1、寄生元件危害最大的情況?

印刷電路板布線產(chǎn)生的主要寄生元件包括：寄生電阻、寄生電容和寄生電感。例如：PCB的寄生電阻由元件之間的走線形成；電路板上的走線、焊盤和平行走線會(huì)產(chǎn)生寄生電容；寄生電感的產(chǎn)生途徑包括環(huán)路電感、互感和過(guò)孔。當(dāng)將電路原理圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際的PCB時(shí)，所有這些寄生元件都可能對(duì)電路的有效性產(chǎn)生干擾。本文將對(duì)最棘手的電路板寄生元件類型 — 寄生電容進(jìn)行量化，并提供一個(gè)可清楚看到寄生電容對(duì)電路性能影響的示例?！?/p>

圖1 在PCB上布兩條靠近的走線，很容易產(chǎn)生寄生電容。由于這種寄生電容的存在，在一條走線上的快速電壓變化會(huì)在另一條走線上產(chǎn)生電流信號(hào)。

圖2 用三個(gè)8位數(shù)字電位器和三個(gè)放大器提供65536個(gè)差分輸出電壓，組成一個(gè)16位D/A轉(zhuǎn)換器。如果系統(tǒng)中的VDD為5V，那么此D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率或LSB大小為76.3mV。

圖3 這是對(duì)圖2所示電路的第一次布線嘗試。此配置在模擬線路上產(chǎn)生不規(guī)律的噪聲，這是因?yàn)樵谔囟〝?shù)字走線上的數(shù)據(jù)輸入碼隨著數(shù)字電位器的編程需求而改變。

2、寄生電容的危害

大多數(shù)寄生電容都是靠近放置兩條平行走線引起的。可以采用圖1所示的公式來(lái)計(jì)算這種電容值。

在混合信號(hào)電路中，如果敏感的高阻抗模擬走線與數(shù)字走線距離較近，這種電容會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。例如，圖2中的電路就很可能存在這種問(wèn)題。

為講解圖2所示電路的工作原理，采用三個(gè)8位數(shù)字電位器和三個(gè)CMOS運(yùn)算放大器組成一個(gè)16位D/A轉(zhuǎn)換器。在此圖的左側(cè)，在VDD和地之間跨接了兩個(gè)數(shù)字電位器(U3a和U3b)，其抽頭輸出連接到兩個(gè)運(yùn)放(U4a和U4b)的正相輸入端。數(shù)字電位器U2和U3通過(guò)與單片機(jī)(U1)之間的SPI接口編程。在此配置中，每個(gè)數(shù)字電位器配置為8位乘法型D/A轉(zhuǎn)換器。如果VDD為5V，那么這些D/A轉(zhuǎn)換器的LSB大小等于19.61mV。

這兩個(gè)數(shù)字電位器的抽頭都分別連接到兩個(gè)配置了緩沖器的運(yùn)放的正相輸入端。在此配置中，運(yùn)放的輸入端是高阻抗的，將數(shù)字電位器與電路其它部分隔離開(kāi)了。這兩個(gè)放大器配置為其輸出擺幅限制不會(huì)超出第二級(jí)放大器的輸入范圍。

圖 4 在此示波器照片中，最上面的波形取自JP1(到數(shù)字電位器的數(shù)字碼)，第二個(gè)波形取自JP5(相鄰模擬走線上的噪聲)，最下面的波形取自TP10(16位D/A轉(zhuǎn)換器輸出端的噪聲)。

圖5 采用這種新的布線，將模擬線路和數(shù)字線路隔離開(kāi)了。增大走線之間的距離，基本消除了在前面布線中造成干擾的數(shù)字噪聲。

圖 6 圖中示出了采用新布線的16位D/A轉(zhuǎn)換器的單個(gè)碼轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)數(shù)字電位器編程的數(shù)字信號(hào)沒(méi)有造成數(shù)字噪聲。

為使此電路具有16位D/A轉(zhuǎn)換器的性能，采用第三個(gè)數(shù)字電位器(U2a)跨接在兩個(gè)運(yùn)放(U4a和U4b)的輸出端之間。U3a和U3b的編程設(shè)定經(jīng)數(shù)字電位器后的電壓值。如果VDD為5V，可以將U3a和U3b的輸出編程為相差19.61mV。此電壓大小經(jīng)第三個(gè)8位數(shù)字電位器R3，則自左至右整個(gè)電路的LSB大小為76.3mV。此電路獲得最優(yōu)性能所需的嚴(yán)格器件規(guī)格如表1所示。

此電路有兩種基本工作模式。第一種模式可用于獲得可編程、可調(diào)節(jié)的直流差分電壓。在此模式中，電路的數(shù)字部分只是偶爾使用，在正常工作時(shí)不使用。第二種模式是可以將此電路用作任意波形發(fā)生器。在此模式中，電路的數(shù)字部分是電路運(yùn)行的必需部分。此模式中可能發(fā)生電容耦合的危險(xiǎn)。

圖2所示電路的第一次布線如圖3所示。此電路是在實(shí)驗(yàn)室中快速設(shè)計(jì)出的，沒(méi)有注意細(xì)節(jié)。在檢查布線時(shí)，發(fā)現(xiàn)將數(shù)字走線布在了高阻抗模擬線路的旁邊。需要強(qiáng)調(diào)的是，第一次就應(yīng)該正確布線，本文的目的是為了講解如何識(shí)別問(wèn)題及如何對(duì)布線做重大改進(jìn)。

看一下此布線中不同的走線，可以明顯看到哪里可能存在問(wèn)題。圖中的模擬走線從U3a的抽頭連接到U4a放大器的高阻抗輸入端。圖中的數(shù)字走線傳送對(duì)數(shù)字電位器設(shè)置進(jìn)行編程的數(shù)字碼。

在測(cè)試板上經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)數(shù)字走線中的數(shù)字信號(hào)耦合到了敏感的模擬走線中，參見(jiàn)圖4。

系統(tǒng)中對(duì)數(shù)字電位器編程的數(shù)字信號(hào)沿著走線逐漸傳輸?shù)捷敵鲋绷麟妷旱哪M線路。此噪聲通過(guò)電路的模擬部分一直傳播到第三個(gè)數(shù)字電位器(U5a)。第三個(gè)數(shù)字電位器在兩個(gè)輸出狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)。解決這個(gè)問(wèn)題的方法主要是分隔開(kāi)走線，圖5示出了改進(jìn)的布線方案。

改變布線的結(jié)果如圖6所示。將模擬和數(shù)字走線仔細(xì)分開(kāi)后，電路成為非常“干凈”的16位D/A轉(zhuǎn)換器。圖中的波形是第三個(gè)數(shù)字電位器的單碼轉(zhuǎn)換結(jié)果76.29mV。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)字和模擬范圍確定后，謹(jǐn)慎布線對(duì)獲得成功的PCB是至關(guān)重要的。尤其是有源數(shù)字走線靠近高阻抗模擬走線時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重的耦合噪聲，這只能通過(guò)增加走線之間的距離來(lái)避免。

淺談PCB布線設(shè)計(jì)系列之四

AD轉(zhuǎn)換器的精度和分辨率增加時(shí)使用的布線技巧。

最初，模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器起源于模擬范例，其中物理硅的大部分是模擬。隨著新的設(shè)計(jì)拓?fù)鋵W(xué)發(fā)展，此范例演變?yōu)?，在低速A/D轉(zhuǎn)換器中數(shù)字占主要部分。盡管A/D轉(zhuǎn)換器片內(nèi)由模擬占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓴?shù)字占主導(dǎo)，PCB的布線準(zhǔn)則卻沒(méi)有改變。當(dāng)布線設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)混合信號(hào)電路時(shí)，為實(shí)現(xiàn)有效布線，仍需要關(guān)鍵的布線知識(shí)。本文將以逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器為例，探討A/D轉(zhuǎn)換器所需的PCB布線策略。

圖1. 12位CMOS逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖。此轉(zhuǎn)換器使用了由電容陣列形成的電荷分布。

1、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的布線?

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器有8位、10位、12位、16位以及18位分辨率。最初，這些轉(zhuǎn)換器的工藝和結(jié)構(gòu)是帶R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的雙極型。但是最近，采用電容電荷分布拓?fù)鋵⑦@些器件移植到了CMOS工藝。顯然，這種移植并沒(méi)有改變這些轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)布線策略。除較高分辨率的器件外，基本的布線方法是一致的。對(duì)于這些器件，需要特別注意防止來(lái)自轉(zhuǎn)換器串行或并行輸出接口的數(shù)字反饋。

從電路和片內(nèi)專用于不同領(lǐng)域的資源來(lái)看，模擬在逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器中占主導(dǎo)地位。圖1是一個(gè)12位CMOS逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖。

此轉(zhuǎn)換器使用了由電容陣列形成的電荷分布。

在此方框圖中，采樣/保持、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的大部分以及12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器都是模擬的。電路的其余部分是數(shù)字的。因此，此轉(zhuǎn)換器所需的大部分能量和電流都用于內(nèi)部模擬電路。此器件需要很小的數(shù)字電流，只有D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口會(huì)發(fā)生少量開(kāi)關(guān)。

這些類型的轉(zhuǎn)換器可以有多個(gè)地和電源連接引腳。引腳名經(jīng)常會(huì)引起誤解，因?yàn)榭捎靡_標(biāo)號(hào)區(qū)分模擬和數(shù)字連接。這些標(biāo)號(hào)并非意在描述到PCB的系統(tǒng)連接，而是確定數(shù)字和模擬電流如何流出芯片。知道了此信息，并了解了片內(nèi)消耗的主要資源是模擬的，就會(huì)明白在相同平面（如模擬平面）上連接電源和地引腳的意義。

例如，10位和12位轉(zhuǎn)換器典型樣片的引腳配置如圖2所示。

圖2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)論其分辨率是多少位，通常至少有兩個(gè)地連接端：AGND和DGND。此處以Microchip的A/D轉(zhuǎn)換器 MCP4008和MCP3001為例。

圖2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)論其分辨率是多少位，通常至少有兩個(gè)地連接端：AGND和DGND。此處以Microchip的A/D轉(zhuǎn)換器 MCP4008和MCP3001為例。對(duì)于這些器件，通常從芯片引出兩個(gè)地引腳：AGND和DGND。電源有一個(gè)引出引腳。當(dāng)使用這些芯片實(shí)現(xiàn)PCB布線時(shí)，AGND和DGND應(yīng)該連接到模擬地平面。模擬和數(shù)字電源引腳也應(yīng)該連接到模擬電源平面或至少連接到模擬電源軌，并且要盡可能靠近每個(gè)電源引腳連接適當(dāng)?shù)呐月冯娙荨Ｏ驧CP3201這樣的器件，只有一個(gè)接地引腳和一個(gè)正電源引腳，其唯一的原因是由于封裝引腳數(shù)的限制。然而，隔離開(kāi)地可增大轉(zhuǎn)換器具有良好和可重復(fù)精度的可能性。

對(duì)于所有這些轉(zhuǎn)換器，電源策略應(yīng)該是將所有的地、正電源和負(fù)電源引腳連接到模擬平面。而且，與輸入信號(hào)有關(guān)的‘COM’引腳或‘IN’引腳應(yīng)該盡量靠近信號(hào)地連接。

對(duì)于更高分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器（16位和18位轉(zhuǎn)換器），在將數(shù)字噪聲與“安靜”的模擬轉(zhuǎn)換器和電源平面隔離開(kāi)時(shí)，需要另外稍加注意。當(dāng)這些器件與單片機(jī)接口時(shí)，應(yīng)該使用外部的數(shù)字緩沖器，以獲得無(wú)噪聲運(yùn)行。盡管這些類型的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器通常在數(shù)字輸出側(cè)有內(nèi)部雙緩沖器，還是要使用外部緩沖器，以進(jìn)一步將轉(zhuǎn)換器中的模擬電路與數(shù)字總線噪聲隔離開(kāi)。

這種系統(tǒng)的正確電源策略如圖3所示。

圖3.對(duì)于高分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的電源和地應(yīng)該連接到模擬平面。然后，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)使用外部的三態(tài)輸出緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅(qū)動(dòng)能力外，還具有隔離模擬和數(shù)字側(cè)的作用。

圖3.對(duì)于高分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的電源和地應(yīng)該連接到模擬平面。然后，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)使用外部的三態(tài)輸出緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅(qū)動(dòng)能力外，還具有隔離模擬和數(shù)字側(cè)的作用。

2、高精度∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器的布線策略

高精度∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器硅面積的主要部分是數(shù)字。早期生產(chǎn)這種轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，范例中的這種轉(zhuǎn)變促使用戶使用PCB平面將數(shù)字噪聲和模擬噪聲隔離開(kāi)。與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一樣，這些類型A/D轉(zhuǎn)換器可能有多個(gè)模擬地、數(shù)字地和電源引腳。數(shù)字或模擬設(shè)計(jì)工程師一般都傾向于將這些引腳分開(kāi)，分別連接到不同的平面。但是，這種傾向是錯(cuò)誤的，尤其是當(dāng)您試圖解決16位到24位精度器件的嚴(yán)重噪聲問(wèn)題時(shí)。

對(duì)于有10Hz數(shù)據(jù)速率的高分辨率∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器，加在轉(zhuǎn)換器上的時(shí)鐘（內(nèi)部或外部時(shí)鐘）可能為10MHz或20MHz。此高頻率時(shí)鐘用于開(kāi)關(guān)調(diào)制器和運(yùn)行過(guò)采樣引擎。對(duì)于這些電路，與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一樣，AGND和DGND引腳也是在同一地平面上連接在一起。而且，模擬和數(shù)字電源引腳也最好在同一平面上連接在一起。對(duì)模擬和數(shù)字電源平面的要求與高分辨率逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器相同。

必須要有地平面，這意味著至少需要雙面板。在此雙面板上，地平面至少要覆蓋整個(gè)板面積的75%。地平面層的用途是為了降低接地阻抗和感抗，并提供對(duì)電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）的屏蔽作用。如果在電路板的地平面?zhèn)刃枰袃?nèi)部連接走線，那么走線要盡可能短并與地電流回路垂直。

結(jié)論

對(duì)于低精度的A/D轉(zhuǎn)換器，如六位、八位或甚至可能十位的A/D轉(zhuǎn)換器，模擬和數(shù)字引腳不分開(kāi)是可以的。但當(dāng)您選擇的轉(zhuǎn)換器精度和分辨率增加時(shí)，布線要求也更嚴(yán)格了。高分辨率逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器，都需要直接連接到低噪聲模擬地和電源平面。

淺談PCB布線設(shè)計(jì)系列之五

要解決信號(hào)完整性問(wèn)題，最好有多個(gè)工具分析系統(tǒng)性能。如果在信號(hào)路徑中有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，那么當(dāng)評(píng)估電路性能時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)三個(gè)基本問(wèn)題：所有這三種方法都評(píng)估轉(zhuǎn)換過(guò)程，以及轉(zhuǎn)換過(guò)程與布線及電路其它部分的交互作用。三個(gè)關(guān)注的方面涉及到頻域分析、時(shí)域分析和直流分析技術(shù)的使用。本文將探討如何使用這些工具來(lái)確定與電路布線有關(guān)問(wèn)題的根源。我們將研究如何決定找什么；到哪里找；如何通過(guò)測(cè)試檢驗(yàn)問(wèn)題；以及如何解決發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題等。

圖1 SCX015壓力傳感器輸出端的電壓由儀表放大器(A1和A2)放大。在儀表放大器之后，添加了一個(gè)低通濾波器 (A3)，以消除來(lái)自12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的混疊噪聲。

圖2 來(lái)自于12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3201的數(shù)據(jù)的時(shí)域表示，產(chǎn)生了有趣的周期信號(hào)。此信號(hào)源可追溯到電源。

圖3 電源噪聲充分降低后，MCP3201的輸出碼一直是一個(gè)碼，2108。

本文要論述的電路如圖1所示。

1、電源噪聲?

電路應(yīng)用中的常見(jiàn)干擾源來(lái)自電源，這種干擾信號(hào)通常通過(guò)有源器件的電源引腳引入。例如，圖1中A/D轉(zhuǎn)換器輸出的時(shí)序圖如圖2所示。在此圖中，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度是40ksps，進(jìn)行了4096次采樣。

在此例中，儀表放大器、參考電壓源和A/D轉(zhuǎn)換器上沒(méi)有加旁路電容。另外，電路的輸入都是以一個(gè)低噪聲、2.5V的直流電壓源作為基準(zhǔn)。

對(duì)電路的深入研究表明，時(shí)序圖上看到的噪聲源來(lái)自于開(kāi)關(guān)電源。電路中添加了旁路電容和扼流環(huán)。電源上加了一個(gè)10mF的電容，并且在盡可能靠近有源元件的電源引腳旁放置了三個(gè)0.1mF的電容。在產(chǎn)生的新時(shí)序圖上可以看到，產(chǎn)生了穩(wěn)定的直流輸出，圖3所示的柱狀圖可驗(yàn)證這一點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，電路的這些更改消除了來(lái)自電路信號(hào)路徑的噪聲源。

2、造成干擾的外部時(shí)鐘?

其它系統(tǒng)噪聲源可能來(lái)自時(shí)鐘源或電路中的數(shù)字開(kāi)關(guān)。如果這種噪聲與轉(zhuǎn)換過(guò)程有關(guān)，它不會(huì)作為轉(zhuǎn)換過(guò)程中的干擾出現(xiàn)。但是，如果這種噪聲與轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)關(guān)，采用FFT(快速傅立葉變換)分析，可以很容易發(fā)現(xiàn)這種噪聲。

圖4 耦合到模擬走線的數(shù)字噪聲有時(shí)被誤解為寬帶噪聲。FFT圖可以很容易識(shí)別這種所謂 “噪聲”的頻率，因此可識(shí)別出噪聲源。

圖5 放大器輕微過(guò)激勵(lì)，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生失真。通過(guò)這種轉(zhuǎn)換的FFT圖，可以很快發(fā)現(xiàn)信號(hào)的失真。

時(shí)鐘信號(hào)干擾的示例可參見(jiàn)圖4所示的FFT圖。此圖使用了圖1所示的電路，并添加了旁路電容。在圖4所示的FFT圖中看到的激勵(lì)，由電路板上的19.84MHz時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生。在此例中，布線時(shí)幾乎沒(méi)有考慮走線之間的耦合作用，在FFT圖中可以看到忽略此細(xì)節(jié)的結(jié)果。

這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)修改布線來(lái)解決，將高阻抗模擬走線遠(yuǎn)離數(shù)字開(kāi)關(guān)走線；或者在模擬信號(hào)路徑中，在A/D轉(zhuǎn)換器之前加抗混疊濾波器。走線之間的隨機(jī)耦合在某種程度上更難以發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，時(shí)域分析可能比較有效。

3、放大器使用不恰當(dāng)?

回到圖1所示的電路，在儀表放大器的正相輸入端施加一個(gè)1kHz的交流信號(hào)。此信號(hào)不是壓力傳感的特性，但是可以采用這個(gè)示例來(lái)說(shuō)明模擬信號(hào)路徑中器件的影響。

圖5所示的FFT圖顯示了施加上述條件后的電路性能。注意基波看起來(lái)有失真，許多諧波也有同樣的失真。失真是由于使放大器輕微過(guò)激勵(lì)引起的。解決此問(wèn)題的方法是降低放大器增益。

結(jié)語(yǔ)

解決信號(hào)完整性問(wèn)題可能會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間，尤其是當(dāng)工程師沒(méi)有工具來(lái)解決棘手的問(wèn)題時(shí)。在“竅門箱”中有三種最佳的分析工具：頻域分析工具(FFT)、時(shí)域分析工具(示波器照片)和直流分析工具(柱狀圖)。工程師可以用這些工具來(lái)識(shí)別電源噪聲、外部時(shí)鐘源和過(guò)激勵(lì)放大器失真。

淺談PCB布線設(shè)計(jì)系列之六

對(duì)于12位傳感系統(tǒng)的布線，應(yīng)用的電路是一負(fù)載單元電路，該電路可精確測(cè)量傳感器上施加的重量，然后將結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。采用的負(fù)載單元是Omega公司的LCL-816G。LCL-816G傳感器模型是由四個(gè)電阻元件組成的橋，需電壓激勵(lì)。將5V激勵(lì)電壓加在傳感器高端，施加900g最大激勵(lì)時(shí)，滿刻度輸出擺幅為±10mV差分信號(hào)。該小差分信號(hào)被雙運(yùn)放儀表放大器放大。

根據(jù)電路精度要求，選擇一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)轉(zhuǎn)換器將輸入端的電壓進(jìn)行數(shù)字化后，數(shù)字碼經(jīng)轉(zhuǎn)換器SPI端口發(fā)送到單片機(jī)。然后，單片機(jī)用查找表將來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量。此時(shí)如需要的話，線性化和標(biāo)定工作可由控制器代碼實(shí)現(xiàn)。完成這一步后，結(jié)果送到LCD顯示器。最后一步是為控制器寫固件。電路設(shè)計(jì)好之后，即可設(shè)計(jì)印刷電路板和布線了。

查看這個(gè)完整的電路原理圖時(shí)，若使用自動(dòng)布線工具，經(jīng)常要返回來(lái)對(duì)布線做很大的修改。如果自動(dòng)布線工具可以實(shí)現(xiàn)布線限制，可能還有成功的可能性。如果自動(dòng)布線工具沒(méi)有限制選項(xiàng)的話，最好不要使用自動(dòng)布線工具。

圖1 負(fù)載單元傳感器輸出端的信號(hào)由雙運(yùn)放儀表放大器放大，然后由12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3201濾波和數(shù)字化。每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。

圖2 在精度高于12位的電路中，PCB上有源元件的放置很重要。要將高頻元件 和數(shù)字器件盡量靠近接插件放置。

圖3 圖1電路的頂層布線和底層布線，此布線中沒(méi)有地平面和電源平面。注意：為降低電源線的感抗，電源線要比信號(hào)線寬很多。

圖4 在沒(méi)有地平面或電源平面的PCB(PCB布線如圖3所示)中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出4096次采樣的柱狀圖。電路的噪聲碼寬度為15個(gè)碼。

布線的一般準(zhǔn)則?

（一）器件布局

既然是采用手工布線，那么第一個(gè)步驟是在板上放置器件。將噪聲敏感器件和產(chǎn)生噪聲器件分開(kāi)放置。完成這個(gè)任務(wù)有兩個(gè)準(zhǔn)則：

將電路中器件分成兩大類：高速(>40MHz)器件和低速器件。如果可能的話，將高速器件盡量靠近板的接插件和電源放置。

將上述大類再分成三個(gè)子類：純數(shù)字、純模擬和混合信號(hào)。將數(shù)字器件盡量靠近板的接插件和電源放置。

電路板的布線策略要符合圖2所示的器件布局圖。注意圖2a中高速器件、低速器件與電路板的接插件和電源之間的關(guān)系。在圖2b中，數(shù)字器件最靠近電路板的接插件和電源，與其它數(shù)字和模擬電路分離開(kāi)了。純模擬器件距離數(shù)字器件最遠(yuǎn)，以確保開(kāi)關(guān)噪聲不會(huì)耦合到模擬信號(hào)路徑中。A/D轉(zhuǎn)換器的布線策略在本刊2004年1月中有詳細(xì)論述。

（二）地和電源策略

確定了器件的大體位置后，就可以定義地平面和電源平面了。實(shí)現(xiàn)這些平面是需要一些策略技巧的。

在PCB中不使用地平面是很危險(xiǎn)的，尤其是在模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。其一，因?yàn)槟M信號(hào)是以地為基準(zhǔn)的，地噪聲問(wèn)題比電源噪聲問(wèn)題更難應(yīng)對(duì)。例如，在圖1所示電路中，A/D轉(zhuǎn)換器(MCP3201)的反相輸入引腳是接地的；二，地平面還對(duì)噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問(wèn)題，但是，如果沒(méi)有地平面，要克服這些問(wèn)題幾乎是不可能的。這里，假設(shè)不需要地平面。圖1所示的電路無(wú)地平面布線，如圖3所示。“不需要地平面”的理論還行得通嗎？這可以通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。在圖4中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了4096次采樣并記錄了數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，沒(méi)有在傳感器上施加激勵(lì)。采用這種電路布線，控制器專用于與轉(zhuǎn)換器接口，并將轉(zhuǎn)換器的結(jié)果發(fā)送到LCD顯示器。

圖 5 圖1電路的頂層和底層布線。注意此布線中有地平面。

圖 6 在有地平面的PCB(PCB布線如圖5所示)中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出4096次采樣的柱狀圖。噪聲碼寬度為11個(gè)碼。

圖 7 在PCB上將兩條走線靠近放置，就會(huì)產(chǎn)生寄生電容。信號(hào)會(huì)通過(guò)這種寄生電容在走線之間耦合。

圖8 顯示在圖1電路中添加一個(gè)四階抗信號(hào)混疊濾波器后的轉(zhuǎn)換結(jié)果。另外，電路板布線中添加了地平面。

圖5所示的布線與圖3中的布線基本相同，但在底層添加了地平面。地平面(圖5b)有幾處被信號(hào)線打斷，應(yīng)盡量減少地平面被斷開(kāi)的次數(shù)。電流返回路徑不應(yīng)縮短，因?yàn)檫@些走線會(huì)限制從器件到電源接插件的電流流動(dòng)。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的柱狀圖如圖6所示。與圖4相比，輸出碼要密集得多。兩次測(cè)試中使用了相同的有源器件。無(wú)源器件不同，會(huì)導(dǎo)致較小的偏置差異。

從上述數(shù)據(jù)很容易看出，地平面確實(shí)對(duì)電路噪聲有抑制作用。當(dāng)電路中沒(méi)有地平面時(shí)，噪聲的寬度大約為15個(gè)碼；添加了地平面后，性能提高了約1.5倍或15/11倍。請(qǐng)注意，測(cè)試是在電磁干擾較低的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。

A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字碼的噪聲可歸因于運(yùn)放的噪聲和缺少抗信號(hào)混疊濾波器。如果電路中有“最少”量的數(shù)字電路，可能只需要一個(gè)地平面和一個(gè)電源平面就可以了。“最少”可由電路板設(shè)計(jì)人員定義。將數(shù)字和模擬地平面連接在一起的危險(xiǎn)在于，模擬電路會(huì)從電源引腳引入噪聲，并將噪聲耦合到信號(hào)路徑中。在電路的一點(diǎn)或多點(diǎn)上，要將模擬電路和數(shù)字電路的地和電源連接在一起，以確保所有器件的電源、輸入和輸出共地，其標(biāo)稱值不會(huì)被破壞。

在12位系統(tǒng)中，電源平面并不象地平面那么重要。盡管電源平面可以解決許多問(wèn)題，使電源線比電路板上其它走線寬兩倍或三倍，以及有效使用旁路電容，都可以降低電源的噪聲。

（三）信號(hào)線

電路板(包括數(shù)字和模擬電路)上的信號(hào)線要盡量短。這個(gè)基本準(zhǔn)則將降低無(wú)關(guān)信號(hào)耦合到信號(hào)路徑的可能性。尤其要注意的是模擬器件的輸入端，這些輸入端通常比輸出引腳或電源引腳具有更高的阻抗。例如，A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間是最為敏感的。對(duì)于圖1中的12位轉(zhuǎn)換器，輸入引腳(IN+和IN-)對(duì)引入的噪聲也很敏感。運(yùn)放的輸入端也有可能在信號(hào)路徑中引入噪聲。這些端通常具有109W至1013W的輸入阻抗。

高阻抗輸入端對(duì)于輸入電流比較敏感。如果從高阻抗輸入端引出的走線靠近有快速變化電壓的走線(如數(shù)字或時(shí)鐘信號(hào)線)，就會(huì)發(fā)生這種情況，此時(shí)電荷通過(guò)寄生電容耦合到高阻抗走線中。

這兩條走線之間的關(guān)系如圖7所示。圖中，兩條走線之間寄生電容的值主要取決于走線之間的距離(d)，以及兩條走線保持平行的長(zhǎng)度(L)。通過(guò)這個(gè)模型，高阻抗走線中產(chǎn)生的電流等于：I=C dV/dt；其中：I是高阻抗走線上的電流，C是兩條PCB走線之間的電容值，dV 是有開(kāi)關(guān)動(dòng)作的走線上的電壓變化，dt 是電壓從一個(gè)電平變化到下一個(gè)電平所用的時(shí)間。

（四）旁路電容和抗信號(hào)混疊濾波器的使用

有關(guān)旁路電容的一個(gè)原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設(shè)計(jì)電路時(shí)，沒(méi)有加旁路電容，電源噪聲很可能使電路的精度達(dá)不到12位。

可在電路板上的如下兩個(gè)位置放置旁路電容：一個(gè)電容(10mF至100mF)放置在電源側(cè)，另一個(gè)電容放置在每個(gè)有源器件(包括數(shù)字和模擬器件)旁邊。加在器件上旁路電容的值取決于使用的器件。如果器件的帶寬小于或等于1MHz，那么采用1mF的電容可以顯著降低引入的噪聲。如果器件的帶寬大于10MHz，0.1mF的電容可能比較合適。如果帶寬在這兩個(gè)頻率之間，可同時(shí)使用這兩種容值的電容，或使用其一。

電路板上的每個(gè)有源器件都需要一個(gè)旁路電容。旁路電容必須盡可能靠近器件的電源引腳放置，如圖5所示。如果一個(gè)器件使用了兩個(gè)旁路電容，容值小的電容要最靠近器件引腳。而且，旁路電容的引腳要盡量短。

（五）抗信號(hào)混疊濾波器

請(qǐng)注意，圖1所示的電路中沒(méi)有抗信號(hào)混疊濾波器。正如數(shù)據(jù)所顯示，這一疏忽在電路中引起了噪聲問(wèn)題。此電路板中，當(dāng)在儀表放大器的輸出和A/D轉(zhuǎn)換器的輸入之間接入一個(gè)四階、10Hz抗信號(hào)混疊濾波器時(shí)，轉(zhuǎn)換響應(yīng)的性能大為提高，如圖8所示。

模擬濾波可在模擬信號(hào)到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器之前，消除疊加在模擬信號(hào)上的噪聲，尤其是無(wú)關(guān)的噪聲尖峰。A/D轉(zhuǎn)換器將對(duì)出現(xiàn)在其輸入端的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種信號(hào)可能包括傳感器電壓信號(hào)或噪聲，抗信號(hào)混疊濾波器消除了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的高頻噪聲。

只要遵循如下幾個(gè)PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，良好的12位布線技巧并不難掌握：

檢查器件相對(duì)于接插件的位置，確保高速器件和數(shù)字器件最靠近接插件。

電路中至少要有一個(gè)地平面。

使電源線比板上的其它走線寬。

檢查電流回路，尋找地線中的可能噪聲源。這可通過(guò)確定地平面上所有點(diǎn)的電流密度和可能存在的噪聲量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

正確旁路所有器件，將電容盡量靠近器件的電源引腳放置。

使所有走線都盡量短。

查看所有的高阻抗走線，逐條走線查找可能的電容耦合問(wèn)題。

確保對(duì)混合信號(hào)電路中的信號(hào)正確濾波。

來(lái)源：雨飛工作室

審核編輯：湯梓紅