模擬電路和數字電路PCB設計的區(qū)別

      本文就旁路電容、電源、地線設計、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMI)等幾個方面，討論模擬和數字布線的基本相似之處及差別。
 
　　程領域中的數字設計人員和數字電路板設計專家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢。盡管對數字設計的重視帶來了電子產品的重大發(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)境接口的電路設計。模擬和數字領域的布線策略有一些類似之處，但要獲得更好的結果時，由于其布線策略不同，簡單電路 布線設計就不再是最優(yōu)方案了。本文就旁路電容、電源、地線設計、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMI)等幾個方面，討論模擬和數字布線的基本相似之處及差別。
 
　　模擬和數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0.1uF。系統(tǒng)供電電源側需要另一類電容，通常此電容值大約為10uF。
 
　　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0.1uF電容)或供電電源(對于10uF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，對于數字和模擬設計來說都屬于常識。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，更嚴重的情況甚至會引起振動。
 
 
　　圖1 在模擬和數字PCB設計中，旁路或去耦電容(0.1uF)應盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容(10uF)應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，由于這種不恰當的配合，電路板的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。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。由于開關時芯片上產生開關瞬態(tài)電流并流經電路板，有額外的“備用”電荷是有利的。如果執(zhí)行開關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，會導致數字信號電平進入不確定狀態(tài)，并很可能引起數字器件中的狀態(tài)機錯誤運行。流經電路板走線的開關電流將引起電壓發(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，會設計出系統(tǒng)環(huán)路，并很可能會產生噪聲。電源線和地線配合不當的PCB設計示例如圖2所示。
 
　　此電路板上，設計出的環(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)路中感應電壓的可能性可大為降低。
 
　　模擬和數字領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，也適用于數字電路。一個基本的經驗準則是使用不間斷的地平面，這一常識降低了數字電路中的dI/dt(電流 隨時間的變化)效應，這一效應會改變地的電勢并會使噪聲進入模擬電路。數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。對于數字電路就不需要這樣做，數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)將數字開關動作和模擬電路隔離，將電路的數字和模擬部分分開。 (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生電流信號
 
　　如果不注意走線的放置，PCB中的走線可能產生線路感抗和互感。這種寄生電感對于包含數字開關電路的電路運行是非常有害的
 
　　元件的位置
 
　　如上所述，在每個PCB設計中，電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開。一般來說，數字電路“富含”噪聲，而且對噪聲不敏感(因為數 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，模擬電路對開關噪聲最為敏感。在混合信號系統(tǒng)的布線中，這兩種電路要分 隔開，如圖4所示。
 
　　PCB設計產生的寄生元件
 
　　PCB設計中很容易形成可能產生問題的兩種基本寄生元件：寄生電容和寄生電感。設計電路板時，放置兩條彼此靠近的走線就會產生寄生電容?？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 壓隨時間的變化(dV/dt)可能在另一條走線上產生電流。如果另一條走線是高阻抗的，電場產生的電流將轉化為電壓。
 
　　快速電壓瞬變最常發(fā)生在模擬信號設計的數字側。如果發(fā)生快速電壓瞬變的走線靠近高阻抗模擬走線，這種誤差將嚴重影響模擬電路的精度。在這種環(huán)境中，模擬電路有兩個不利的方面：其噪聲容限比數字電路低得多;高阻抗走線比較常見。
 
　　采用下述兩種技術之一可以減少這種現(xiàn)象。最常用的技術是根據電容的方程，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。應該注意， 變量d在電容方程的分母中，d增加，容抗會降低?？筛淖兊牧硪粋€變量是兩條走線的長度。在這種情況下，長度L降低，兩條走線之間的容抗也會降低。
 
　　另一種技術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生干擾的電場，如圖5所示。
 
　　電路板中寄生電感產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間的變化(dI/dt)，由于這條走線的感抗，會在同一條走線上產生電壓;并 由于互感的存在，會在另一條走線上產生成比例的電流。如果在第一條走線上的電壓變化足夠大，干擾可能會降低數字電路的電壓容限而產生誤差。并不只是在數字 電路中才會發(fā)生這種現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象在數字電路中比較常見，因為數字電路中存在較大的瞬時開關電流。
 
　　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。要設法實現(xiàn)低阻抗的電源和地網絡，應盡量減小數字電路導線的感抗，盡量降低模擬電路的電容耦合。
 
　　結語
 
　　數字和模擬范圍確定后，謹慎地布線對獲得成功的PCB至關重要。布線策略通常作為經驗準則向大家介紹，因為很難在實驗室環(huán)境中測試出產品的最終成功與否。因此，盡管數字和模擬電路的布線策略存在相似之處，還是要認識到并認真對待其布線策略的差別。