模擬和數(shù)字布線有什么相似之處和差別？

工程領(lǐng)域中的數(shù)字設(shè)計人員和數(shù)字電路板設(shè)計專家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢。盡管對數(shù)字設(shè)計的重視帶來了電子產(chǎn)品的重大發(fā)展，但仍然存在，而且還會一直存在一部分與模擬或現(xiàn)實環(huán)境接口的電路設(shè)計。模擬和數(shù)字領(lǐng)域的布線策略有一些類似之處，但在獲得更好的結(jié)果時，由于其布線策略不同，簡單電路布線設(shè)計就不再是最優(yōu)方案了。本文就旁路電容、電源、地線設(shè)計、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMI)等幾個方面，討論模擬和數(shù)字布線的基本相似之處及差別。

模擬和數(shù)字布線策略的相似之處

旁路或去耦電容

在布線時，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(對于0.1mF電容)或供電電源(對于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，對于數(shù)字和模擬設(shè)計來說都屬于常識。但有趣的是，其原因卻有所不同。在模擬布線設(shè)計中，旁路電容通常用于旁路電源上的高頻信號，如果不加旁路電容，這些高頻信號可能通過電源引腳進入敏感的模擬芯片。

一般來說，這些高頻信號的頻率超出模擬器件抑制高頻信號的能力。如果在模擬電路中不使用旁路電容的話，就可能在信號路徑上引入噪聲，更嚴重的情況甚至?xí)鹫駝印?/p>

圖1

在模擬和數(shù)字PCB設(shè)計中，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，使用不同的路線來布電源線和地線，因為這種不恰當(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。這些電容的一個功能是用作“微型”電荷庫。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。因為開關(guān)時芯片上產(chǎn)生開關(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)行開關(guān)動作時沒有足夠的電荷，會造成電源電壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會導(dǎo)致數(shù)字信號電平進入不確定狀態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài)機錯誤運行。流經(jīng)電路板走線的開關(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。

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)，會設(shè)計出系統(tǒng)環(huán)路，并很可能會產(chǎn)生噪聲。電源線和地線配合不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計示例如上文圖2所示。

此電路板上，設(shè)計出的環(huán)路面積為697c㎡。采用上文圖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。

模擬和數(shù)字領(lǐng)域布線策略的不同之處

地平面是個難題

電路板布線的基本知識既適用于模擬電路，也適用于數(shù)字電路。一個基本的經(jīng)驗準(zhǔn)則是使用不間斷的地平面，這一常識降低了數(shù)字電路中的dI/dt(電流隨時間的變化)效應(yīng)，這一效應(yīng)會改變地的電勢，并會使噪聲進入模擬電路。數(shù)字和模擬電路的布線技巧基本相同，但有一點除外。對于模擬電路，還有另外一點需要注意，就是要將數(shù)字信號線和地平面中的回路盡量遠離模擬電路。這一點可以通過如下做法來實現(xiàn)：將模擬地平面單獨連接到系統(tǒng)地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠端，也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號路徑所受到的外部干擾最小。對于數(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，而不會出現(xiàn)問題。

圖4

(左)將數(shù)字開關(guān)動作和模擬電路隔離，將電路的數(shù)字和模擬部分分開。 (右) 要盡可能將高頻和低頻分開，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。

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。這種寄生電感對于包含數(shù)字開關(guān)電路的電路運行是非常有害的。