工(gong)程(cheng)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)數(shu)字(zi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)和(he)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)板(ban)設(she)計(ji)專(zhuan)家(jia)在(zai)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)，這(zhe)反(fan)映(ying)了(le)行(xing)業(ye)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)。盡(jin)管(guan)對(dui)數(shu)字(zi)設(she)計(ji)的(de)重(zhong)視(shi)帶(dai)來(lai)了(le)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)的(de)重(zhong)大(da)發(fa)展(zhan)，但(dan)仍(reng)然(ran)存(cun)在(zai)
，而(er)且(qie)還(hai)會(hui) 一(yi)直(zhi)存(cun)在(zai)一(yi)部(bu)分(fen)與(yu)模(mo)擬(ni)或(huo)現(xian)實(shi)環(huan)境(jing)接(jie)口(kou)的(de)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)。模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)領(ling)域(yu)的(de)布(bu)線(xian)策(ce)略(lve)有(you)一(yi)些(xie)類(lei)似(si)之(zhi)處(chu)，但(dan)要(yao)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)結(jie)果(guo)時(shi)，由(you)於(yu)其(qi)布(bu)線(xian)策(ce)略(lve)不(bu)同(tong)，簡(jian)單(dan)電(dian)路(lu)布(bu)線(xian)設(she)計(ji) 就不再是最優方案了。本文就旁路電容、電源、地線設計、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁幹擾(EMI)等幾個方麵，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。係統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。電容取值範圍為推薦值的1/10至10倍之間。但引腳須較短，且要盡量靠近器件(對於0.1uF電容)或供電電源(對於10uF電容)。

 

在zai電dian路lu板ban上shang加jia旁pang路lu或huo去qu耦ou電dian容rong
，以yi及ji這zhe些xie電dian容rong在zai板ban上shang的de位wei置zhi，對dui於yu數shu字zi和he模mo擬ni設she計ji來lai說shuo都dou屬shu於yu常chang識shi。但dan有you趣qu的de是shi，其qi原yuan因yin卻que有you所suo不bu同tong。在zai模mo擬ni布bu線xian設she計ji中zhong，旁pang路lu電dian容rong通tong 常chang用yong於yu旁pang路lu電dian源yuan上shang的de高gao頻pin信xin號hao
，如ru果guo不bu加jia旁pang路lu電dian容rong，這zhe些xie高gao頻pin信xin號hao可ke能neng通tong過guo電dian源yuan引yin腳jiao進jin入ru敏min感gan的de模mo擬ni芯xin片pian。一yi般ban來lai說shuo
，這zhe些xie高gao頻pin信xin號hao的de頻pin率lv超chao出chu模mo擬ni器qi件jian抑yi製zhi高gao頻pin信xin 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
，由於這種不恰當的配合，電路板的電子元器件和線路受電磁幹擾的可能性比較大

 

圖3 在此單麵板中

，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幹擾(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或約54倍

 

對於控製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
，執行門狀態的切換通常需要很大 的電流。由於開關時芯片上產生開關瞬態電流並流經電路板

，有額外的“備用”電荷是有利的。如果執行開關動作時沒有足夠的電荷
，會造成電源電壓發生很大變 化hua。電dian壓ya變bian化hua太tai大da，會hui導dao致zhi數shu字zi信xin號hao電dian平ping進jin入ru不bu確que定ding狀zhuang態tai
，並bing很hen可ke能neng引yin起qi數shu字zi器qi件jian中zhong的de狀zhuang態tai機ji錯cuo誤wu運yun行xing。流liu經jing電dian路lu板ban走zou線xian的de開kai關guan電dian流liu將jiang引yin起qi電dian壓ya發fa生sheng變bian化hua，電dian路lu板ban走zou 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
，基於多種原因，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dian源yuan線xian和he地di線xian的de位wei置zhi良liang好hao配pei合he，可ke以yi降jiang低di電dian磁ci幹gan擾rao的de可ke能neng性xing。如ru果guo電dian源yuan線xian和he地di線xian配pei合he不bu當dang，會hui設she計ji出chu係xi統tong環huan路lu

，並bing很hen可ke能neng會hui產chan生sheng噪zao聲sheng。電dian源yuan線xian和he地di線xian配pei合he不bu當dang的dePCB設計示例如圖2所示。

 

此電路板上
，設計出的環路麵積為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

 

地平麵是個難題

 

電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)線(xian)的(de)基(ji)本(ben)知(zhi)識(shi)既(ji)適(shi)用(yong)於(yu)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)，也(ye)適(shi)用(yong)於(yu)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)。一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)的(de)經(jing)驗(yan)準(zhun)則(ze)是(shi)使(shi)用(yong)不(bu)間(jian)斷(duan)的(de)地(di)平(ping)麵(mian)
，這(zhe)一(yi)常(chang)識(shi)降(jiang)低(di)了(le)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)dI/dt(電流隨時間的 變化)xiaoying，zheyixiaoyinghuigaibiandidedianshibinghuishizaoshengjinrumonidianlu。shuzihemonidianludebuxianjiqiaojibenxiangtong
，danyouyidianchuwai。duiyumonidianlu，haiyoulingwaiyidianxuyaozhuyi
，jiu 是要將數字信號線和地平麵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：將模擬地平麵單獨連接到係統地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的 最zui遠yuan端duan
，也ye就jiu是shi線xian路lu的de末mo端duan。這zhe樣yang做zuo是shi為wei了le保bao持chi信xin號hao路lu徑jing所suo受shou到dao的de外wai部bu幹gan擾rao最zui小xiao。對dui於yu數shu字zi電dian路lu就jiu不bu需xu要yao這zhe樣yang做zuo，數shu字zi電dian路lu可ke容rong忍ren地di平ping麵mian上shang的de大da量liang噪zao聲sheng
，而er不bu會hui出chu現xian 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。由於這種電容的存在
，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

 

圖6 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。這種寄生電感對於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);xiangfan，monidianludedianyazaoshengrongxianjiuxiaodeduo。liangzhezhizhong，monidianluduikaiguanzaoshengzuiweimingan。zaihunhexinhaoxitongdebuxianzhong，zheliangzhongdianluyaofengekai
，ru 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。可以這樣做：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(kuai)速(su)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)最(zui)常(chang)發(fa)生(sheng)在(zai)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)設(she)計(ji)的(de)數(shu)字(zi)側(ce)。如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)快(kuai)速(su)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)的(de)走(zou)線(xian)靠(kao)近(jin)高(gao)阻(zu)抗(kang)模(mo)擬(ni)走(zou)線(xian)，這(zhe)種(zhong)誤(wu)差(cha)將(jiang)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)的(de)精(jing)度(du)。在(zai)這(zhe)種(zhong)環(huan)境(jing)中(zhong)

，模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)有(you)兩(liang)個(ge)不(bu)利(li)的(de)方(fang)麵(mian)：其噪聲容限比數字電路低得多;高阻抗走線比較常見。

 

caiyongxiashuliangzhongjishuzhiyikeyijianshaozhezhongxianxiang。zuichangyongdejishushigenjudianrongdefangcheng
，gaibianzouxianzhijiandechicun。yaogaibiandezuiyouxiaochicunshiliangtiaozouxianzhijiandejuli。yinggaizhuyi
，bianliangd在 電容方程的分母中，d增加，容抗會降低。可改變的另一個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幹擾的電場，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)，由於這條走線的感抗，會在同一條走線上產生電壓;並由於互感 decunzai
，huizailingyitiaozouxianshangchanshengchengbilidedianliu。ruguozaidiyitiaozouxianshangdedianyabianhuazugouda，ganraokenenghuijiangdishuzidianludedianyarongxianerchanshengwucha。bingbuzhishizaishuzidianluzhongcai 會發生這種現象，但這種現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。

 

為消除電磁幹擾源的潛在噪聲，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

 

數字和模擬範圍確定後，謹慎地布線對獲得成功的PCB至zhi關guan重zhong要yao。布bu線xian策ce略lve通tong常chang作zuo為wei經jing驗yan準zhun則ze向xiang大da家jia介jie紹shao
，因yin為wei很hen難nan在zai實shi驗yan室shi環huan境jing中zhong測ce試shi出chu產chan品pin的de最zui終zhong成cheng功gong與yu否fou。因yin此ci，盡jin管guan數shu字zi和he模mo擬ni電dian路lu的de布bu線xian策ce略lve存cun在zai相xiang似si之zhi處chu，還hai是shi要yao認ren識shi到dao並bing認ren真zhen對dui待dai其qi布bu線xian策ce略lve的de差cha別bie。

 

 

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