初探模擬與數(shù)字布線技術的不同

數(shù)字設計電路布局要達到良好效果，仔細布線是完成電路板設計重要關鍵。數(shù)字與模擬布線作法有相似處，本文將講述這兩種布線方式比較，另外討論旁路電容、電源供應及接地布線、電壓誤差，以及因電路板布線引起電磁干擾。

從事數(shù)字設計與數(shù)字布線專家人數(shù)之增加反映出一趨勢──工業(yè)處于領先地位。雖然數(shù)字設計是電子終端產(chǎn)品進步指針，但數(shù)字電路仍需要接口至模擬電路或真實世界。這兩種電路間布線方式雖有類似部分，但要達到良好結果時，即使在一個簡單電路布線設計中存在小差異，都將導致無法達到最佳效果。本文中將探討模擬與數(shù)字布線間基本異同，有關旁路電容、電源供應以及接地布線、電壓誤差，以及因電路板布線造成電磁干擾（EMI）。

1 模擬與數(shù)字布線工作之相似處

1.1 旁路或反交連電容

就布線而言，模擬組件與數(shù)字組件皆需要此類電容。通常這兩種電路都需要一個0.1uF電容，而且該電容需置于靠近電源接腳端；第二類為常用于系統(tǒng)中之電源供應器電容，其值通常大約是10uF。

電容位置如（圖一）所示。電容值各有不同，可能高十倍亦或低十倍，但都必需盡量縮短線長且靠近組件（0.1uF 電容）或電源供應器（10uF 電容）。

（圖一）模擬與數(shù)字電路板設計中，旁路或反交連電容（0.1uF）應盡可能靠近組件

＜電源供應反交連電容（10uF）應置于電源走線進入電路板位置。任何情況下，這些電容走線要越短越好。＞

旁路或反交連電容以及在電路板上之配置，對此兩種電路設計而言皆為常識，但基于不同理由，在模擬電路設計中，通常用于電源供應上之旁路電容，將使高頻信號轉向；否則高頻信號將透過電源接腳，而進入敏感模擬芯片。一般而言，這些高頻訊號之頻率會發(fā)生于模擬組件有能力抑制之頻率以上。在模擬電路中不使用旁路電容可能會發(fā)生后果為導致過度噪聲進到訊號路徑中，甚至引起振蕩。

對數(shù)字組件，如控制器與處理器而言，反交連電容為必要，但理由不同。這些電容功能之一是當作「微型」電荷儲存庫。通常在數(shù)字電路中，閘極狀態(tài)切換時會消耗大量電流。因為在芯片上發(fā)生切換動作時，瞬時電流會通過芯片及整個電路板，故使用額外充電來補充供應其所需是有幫助。沒有本地足夠充電以供執(zhí)行轉換動作所需之電流后果──可能導致電源供應電壓明顯變動。當電壓變動過大時，會導致數(shù)字信號位準進入不確定狀態(tài)；甚至導致數(shù)字組件內(nèi)狀態(tài)機器運作不正確。切換電流通過電路板走線時，將導致電壓變動。電路板走線含有寄生電感，且電壓變化值可使用下列公式來計算：

V＝LI / t

在此V電壓變化值

L＝電路板走線電感

I＝通過走線電流變化

t＝電流變化經(jīng)過時間

因此，基于多種理由，接上旁路（或反交連）電容到電源供應與主動組件電源接腳上為好作法。

1.2 電源與接地走線相互搭配

當電源位置與接地線位置完全匹配時，電磁干擾機會就會減少。如果電源與接地未完全匹配，系統(tǒng)回路會被設計到布線內(nèi)，而且將可能會發(fā)生「吵雜」現(xiàn)象。電源與接地線不匹配電路板設計，如（圖二）所示。

（圖二）電路板上組件之電源與接地線使用不同走線布置

＜不匹配狀況將使電路板電路可能產(chǎn)生電磁干擾＞

設計電路板內(nèi)回路面積為697cm2。使用（圖三）所示方法后，因幅射噪聲而形成回路中感應電壓機會大為降低。

（圖三）　在單層板中，電源線與接地線在通往電路板上組件途中為彼此相近

其匹配性較圖二為佳，因此發(fā)生電磁干擾機率減少為 679/12.8 或 ～54ｘ。

2 單元上差異

2.1 接地面可能造成問題

tdI/d適用模擬電路以及數(shù)字電路板布線基本考慮，基本法則為使用連續(xù)接地面。此慣例降低了數(shù)字電路中 影響（電流隨時間造成變化），因而降低接地噪聲及其它噪聲進入模擬電路中可能性。數(shù)字與模擬電路布線技術在本質(zhì)上相同，但有一例外是──讓數(shù)字訊號線及接地面返回路徑，盡可能遠離模擬電路。進行方式可藉由將模擬接地面單獨連接到系統(tǒng)接地，或是將模擬電路放置在電路板最遠處，例如線末端，該作法是使外部干擾源減到最小。對數(shù)字電路而言剛好相反，數(shù)字電路可容許接地面上較大量噪聲而不至于發(fā)生問題。

2.2 零件位置

如上述，在每一電路板設計中，電路吵雜與安靜部份應分開。一般而言，數(shù)字電路是有「很多」噪聲且對這類噪聲敏感度較低（因耐噪聲度較大）。相較之下，模擬電路耐噪聲度就小得多。比較這兩種不同電路，模擬電路對切換噪聲最為敏感。在混合訊號系統(tǒng)布線中，應將兩種電路彼此分開，如（圖四）。

（圖四）?。╝）將電路數(shù)字與模擬部份彼此分開，以降低數(shù)字切換動作影響到模擬電路；（b）高頻應與低頻分開，讓高頻組件較接近電路板連接器

2.3 隨布線進入電路板寄生零件

t）可在另一條走在線產(chǎn)生感應電流。假若第二條走線是高阻抗，因電場而產(chǎn)生電流將轉換成電壓。dI/d兩種基本寄生零件可隨布線進入電路板內(nèi)而產(chǎn)生問題──電容與電感。只要兩條走線相互靠近，在電路板內(nèi)即產(chǎn)生一個電容；如（圖五）所示，將兩走線在上下兩層重迭或相鄰放在同一層上。在這兩種走線結構中，在一條走在線因時間產(chǎn)生電壓變化。

（圖五）　線與線太靠近，容易在電路板中產(chǎn)生寄生電容

＜在其中一條走在線快速電壓變化，便會在另一條走在線感應出電流＞

在混合訊號系統(tǒng)中，常發(fā)現(xiàn)數(shù)字電路發(fā)生快速電壓變化情形。如果讓快速電壓變化走線靠近高阻抗模擬走線，便會破壞模擬電路系統(tǒng)準確性。所以，在混合訊號系統(tǒng)這個環(huán)境內(nèi)，必須留意是：耐噪聲度較數(shù)字電路為低，另一為不要有高阻抗走線。

使用下面兩種技術任何一種，即可輕易地使這種現(xiàn)象降到最低。最常使用技術是，依電容方程式建議來變更走線間相關尺寸。最有效方法：引起問題走線間間距。要注意變量「d」是在電容方程式分母中，當「d」增加時，電容量會減少。另一個可以改變變量則是兩條走線長度，如果長度（「L」）減少，則兩條走線間電容量也會減少。

另一種技術是在兩條走線間配置一個接地線。接地線不只是低阻抗，像這樣一條額外走線也會瓦解易導致干擾電場，如（圖五）所示。

在電路板中產(chǎn)生電感結構與電容類似，如（圖六）所示，將兩條走線在上下層重迭或相鄰放在同一層。在這兩種走線結構中，一條走在線隨時間改變電流（I/t）會因為走線本身電感而在在線產(chǎn)生電壓，并因互感而在另一走在線感應一定比例電流。如果主要走在線電壓變化量夠大話，會引起干擾并導致數(shù)字電路耐噪聲度降低，甚至造成誤動作。該現(xiàn)象不是數(shù)字電路專有，但因為在數(shù)字環(huán)境內(nèi)，較常發(fā)生瞬間切換大電流。

（圖六）　若不注意走線配置，在電路板中走線會形成線電感與互感

＜此種寄生組件對含數(shù)字切換電路運作會造成傷害＞

要消除電磁干擾源潛在噪聲，最好方式是將安靜模擬走線與吵雜輸入/輸出埠隔開。想辦法降低電源與接地網(wǎng)絡阻抗，讓數(shù)字電路走線銅箔中電感與模擬電路中電容耦合量降到最小。

3 結論

當設計中同時存在模擬與數(shù)字電路時，仔細布線是完成電路板設計成功關鍵。布線方式通常作為遵守原則，否則在實驗室環(huán)境中，很難去測試產(chǎn)品成功與否。因此，一般而言，雖然數(shù)字與模擬單元布線方式有相似處，但仍應認識其差異處并加以遵守。