模擬與數字布局

模擬和數字領(lǐng)域的布線(xiàn)策略有一些類(lèi)似之處，但要獲得更好的結果時(shí)，若采用的布線(xiàn)策略不同，即仍舊是用簡(jiǎn)單電路布線(xiàn)設計，則不再是最優(yōu)或最佳方案了。為此，本文就旁路電容、電源、地線(xiàn)設計、電壓誤差和由PCB布線(xiàn)引起的電磁干擾(EMl)等幾個(gè)方面，就模擬和數宇布線(xiàn)的基本相似之處與差別及以12位傳感系統為例說(shuō)明的布局竅門(mén)進(jìn)行討論與分析。為此，先述模擬和數字布線(xiàn)要領(lǐng)的相似之處。

一、模擬和數字布線(xiàn)要領(lǐng)的相似

1、旁路或去耦電容

在布線(xiàn)時(shí)，模擬器件和數字器件都需要這些類(lèi)型的電容，都需要靠近其電源引腳連接一個(gè)旁路電容，此電容值通常為0.1μF。系統供電電源則需要另一類(lèi)去耦電容，通常此電容值大約為10μF。

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(為0.1μF 電容)或供電電源(為10μF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布置，對于數字和模擬設計來(lái)說(shuō)都屬于基本常識，但其功能卻是有區別的。

在模擬布線(xiàn)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(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(huà)，就可能在信號路徑上引入噪聲，更嚴重的情況甚至會(huì )引起振動(dòng)。

而對于控制器和處理器這樣的數字器件來(lái)說(shuō)，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，這是因為在數字電路中，執行門(mén)狀態(tài)的切換(即開(kāi)關(guān)切換)通常需要很大的電流，當開(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，有這額外的“備用”電荷是有利的。如果執行開(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 )導致數字信號電平進(jìn)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(jīng)電路板走線(xiàn)的開(kāi)關(guān)電流將引起電壓發(fā)生變化，由于電路板走線(xiàn)存在寄生電感，則可采用如下公式計算電壓的變化：

V=Ldl/dt

其中V=電壓的變化

L=電路板走線(xiàn)感抗

dI=流經(jīng)走線(xiàn)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)電容是非常好的做法。

2、電源線(xiàn)和地線(xiàn)要布在一起

電源線(xiàn)和地線(xiàn)的位置良好配合，可以降低電磁干擾(EMl)的可能性。如果電源線(xiàn)和地線(xiàn)配合不當，會(huì )設計出系統環(huán)路，并很可能會(huì )產(chǎn)生噪聲。電源線(xiàn)和地線(xiàn)配合不當的PCB設計示例如圖2所示。在此電路板上，使用不同的路線(xiàn)來(lái)布電源線(xiàn)和地線(xiàn)，由于這種不恰當的配合，電路板的電子元器件和線(xiàn)路受電磁干擾(EMI)的可能性比較大。

此電路板上，設計出的環(huán)路面積為697平方米。而采用圖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會(huì )大大降低。在此單面板中，到電路板上器件的電源線(xiàn)和地線(xiàn)彼此靠近。此電路板中電源線(xiàn)和地線(xiàn)的配合比圖2中恰當，其設計出的環(huán)路面積為12.8平方米。電路板中電子元器件和線(xiàn)路受電磁干擾(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或約54倍。