模擬電路與數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)的區(qū)別

數(shù)字設(shè)計(jì)電路布局要達(dá)到良好效果，仔細(xì)布線是完成設(shè)計(jì)重要關(guān)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(yīng)及接地布線、電壓誤差，以及因布線引起電磁干擾。從事數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字布線專家人數(shù)之增加反映出一趨勢(shì)──工業(yè)處于領(lǐng)先地位。雖然數(shù)字設(shè)計(jì)是終端產(chǎn)品進(jìn)步指針，但數(shù)字電路仍需要接口至模擬電路或真實(shí)世界。這兩種電路間布線方式雖有類似部分，但要達(dá)到良好結(jié)果時(shí)，即使在一個(gè)簡(jiǎn)單電路布線設(shè)計(jì)中存在小差異，都將導(dǎo)致無法達(dá)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(guān)旁路電容、電源供應(yīng)以及接地布線、電壓誤差，以及因布線造成電磁干擾（EMI）。1 模擬與數(shù)字布線工作之相似處1.1 電源與接地走線相互搭配當(dāng)電源位置與接地線位置完全匹配時(shí)，電磁干擾機(jī)會(huì)就會(huì)減少。如果電源與接地未完全匹配，系統(tǒng)回路會(huì)被設(shè)計(jì)到布線內(nèi)，而且將可能會(huì)發(fā)生「吵雜」現(xiàn)象。電源與接地線不匹配設(shè)計(jì)。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可能產(chǎn)生電磁干擾＞設(shè)計(jì)內(nèi)回路面積為697cm2。因幅射噪聲而形成回路中感應(yīng)電壓機(jī)會(huì)大為降低。在單層板中，電源線與接地線在通往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(jī)率減少為 679/12.8 或 ～54ｘ。1.2 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(gè)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(yīng)器電容，其值通常大約是10uF。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(zhǎng)且靠近組件（0.1uF 電容）或電源供應(yīng)器（10uF 電容）。模擬與數(shù)字設(shè)計(jì)中，旁路或反交連電容（0.1uF）應(yīng)盡可能靠近組件＜電源供應(yīng)反交連電容（10uF）應(yīng)置于電源走線進(jìn)入位置。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上之配置，對(duì)此兩種電路設(shè)計(jì)而言皆為常識(shí)，但基于不同理由，在模擬電路設(shè)計(jì)中，通常用于電源供應(yīng)上之旁路電容，將使高頻信號(hào)轉(zhuǎn)向；否則高頻信號(hào)將透過電源接腳，而進(jìn)入敏感模擬芯片。一般而言，這些高頻訊號(hào)之頻率會(huì)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(huì)發(fā)生后果為導(dǎo)致過度噪聲進(jìn)到訊號(hào)路徑中，甚至引起振蕩。對(duì)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(dāng)作「微型」電荷儲(chǔ)存庫。通常在數(shù)字電路中，閘極狀態(tài)切換時(shí)會(huì)消耗大量電流。因?yàn)樵谛酒习l(fā)生切換動(dòng)作時(shí)，瞬時(shí)電流會(huì)通過芯片及整個(gè)，故使用額外充電來補(bǔ)充供應(yīng)其所需是有幫助。沒有本地足夠充電以供執(zhí)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作所需之電流后果──可能導(dǎo)致電源供應(yīng)電壓明顯變動(dòng)。當(dāng)電壓變動(dòng)過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)位準(zhǔn)進(jìn)入不確定狀態(tài)；甚至導(dǎo)致數(shù)字組件內(nèi)狀態(tài)機(jī)器運(yùn)作不正確。切換電流通過走線時(shí)，將導(dǎo)致電壓變動(dòng)。走線含有寄生電感，且電壓變化值可使用下列公式來計(jì)算：V＝LI / t在此V電壓變化值L＝走線電感I＝通過走線電流變化t＝電流變化經(jīng)過時(shí)間因此，基于多種理由，接上旁路（或反交連）電容到電源供應(yīng)與主動(dòng)組件電源接腳上為好作法。2 單元上差異2.1 零件位置如上述，在每一設(shè)計(jì)中，電路吵雜與安靜部份應(yīng)分開。一般而言，數(shù)字電路是有「很多」噪聲且對(duì)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(duì)切換噪聲最為敏感。在混合訊號(hào)系統(tǒng)布線中，應(yīng)將兩種電路彼此分開。（a）將電路數(shù)字與模擬部份彼此分開，以降低數(shù)字切換動(dòng)作影響到模擬電路；（b）高頻應(yīng)與低頻分開，讓高頻組件較接近連接器2.2 接地面可能造成問題tdI/d適用模擬電路以及數(shù)字布線基本考慮，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(shí)間造成變化），因而降低接地噪聲及其它噪聲進(jìn)入模擬電路中可能性。數(shù)字與模擬電路布線技術(shù)在本質(zhì)上相同，但有一例外是──讓數(shù)字訊號(hào)線及接地面返回路徑，盡可能遠(yuǎn)離模擬電路。進(jìn)行方式可藉由將模擬接地面單獨(dú)連接到系統(tǒng)接地，或是將模擬電路放置在最遠(yuǎn)處，例如線末端，該作法是使外部干擾源減到最小。對(duì)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。2.3 隨布線進(jìn)入寄生零件t）可在另一條走在線產(chǎn)生感應(yīng)電流。假若第二條走線是高阻抗，因電場(chǎng)而產(chǎn)生電流將轉(zhuǎn)換成電壓。dI/d兩種基本寄生零件可隨布線進(jìn)入內(nèi)而產(chǎn)生問題──電容與電感。只要兩條走線相互靠近，在內(nèi)即產(chǎn)生一個(gè)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(jié)構(gòu)中，在一條走在線因時(shí)間產(chǎn)生電壓變化。線與線太靠近，容易在中產(chǎn)生寄生電容＜在其中一條走在線快速電壓變化，便會(huì)在另一條走在線感應(yīng)出電流＞在混合訊號(hào)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(huì)破壞模擬電路系統(tǒng)準(zhǔn)確性。所以，在混合訊號(hào)系統(tǒng)這個(gè)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(shù)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(shù)是，依電容方程式建議來變更走線間相關(guān)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(dāng)「d」增加時(shí)，電容量會(huì)減少。另一個(gè)可以改變變量則是兩條走線長(zhǎng)度，如果長(zhǎng)度（「L」）減少，則兩條走線間電容量也會(huì)減少。另一種技術(shù)是在兩條走線間配置一個(gè)接地線。接地線不只是低阻抗，像這樣一條額外走線也會(huì)瓦解易導(dǎo)致干擾電場(chǎng)。在中產(chǎn)生電感結(jié)構(gòu)與電容類似，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(jié)構(gòu)中，一條走在線隨時(shí)間改變電流（I/t）會(huì)因?yàn)樽呔€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(yīng)一定比例電流。如果主要走在線電壓變化量夠大話，會(huì)引起干擾并導(dǎo)致數(shù)字電路耐噪聲度降低，甚至造成誤動(dòng)作。該現(xiàn)象不是數(shù)字電路專有，但因?yàn)樵跀?shù)字環(huán)境內(nèi)，較常發(fā)生瞬間切換大電流。若不注意走線配置，在中走線會(huì)形成線電感與互感＜此種寄生組件對(duì)含數(shù)字切換電路運(yùn)作會(huì)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(luò)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(jié)論當(dāng)設(shè)計(jì)中同時(shí)存在模擬與數(shù)字電路時(shí)，仔細(xì)布線是完成設(shè)計(jì)成功關(guān)鍵。布線方式通常作為遵守原則，否則在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，很難去測(cè)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(yīng)認(rèn)識(shí)其差異處并加以遵守。