模擬與數(shù)字布局

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

一、模擬和數(shù)字布線要領(lǐng)的相似

1、旁路或去耦電容

在布線時(shí)，模擬器件和數(shù)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(gè)旁路電容，此電容值通常為0.1μF。系統(tǒng)供電電源則需要另一類去耦電容，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(duì)于數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)來說都屬于基本常識(shí)，但其功能卻是有區(qū)別的。

在模擬布線設(shè)計(jì)中旁路電容通常用于旁路電源上的高頻信號(hào)，如果不加旁路電容，這些高頻信號(hào)可能通過電源引腳進(jìn)入敏感的模擬芯片。一般來說，這些高頻信號(hào)的頻率超出模擬器件抑制高頻信號(hào)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(hào)路徑上引入噪聲，更嚴(yán)重的情況甚至?xí)鹫駝?dòng)。

而對(duì)于控制器和處理器這樣的數(shù)字器件來說，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(kù)，這是因?yàn)樵跀?shù)字電路中，執(zhí)行門狀態(tài)的切換(即開關(guān)切換)通常需要很大的電流，當(dāng)開關(guān)時(shí)芯片上產(chǎn)生開關(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(zhí)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)沒有足夠的電荷，會(huì)造成電源電壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平進(jìn)入不確定狀態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài)機(jī)錯(cuò)誤運(yùn)行。流經(jīng)電路板走線的開關(guān)電流將引起電壓發(fā)生變化，由于電路板走線存在寄生電感，則可采用如下公式計(jì)算電壓的變化：

V=Ldl/dt

其中V=電壓的變化

L=電路板走線感抗

dI=流經(jīng)走線的電流變化

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(EMl)的可能性。如果電源線和地線配合不當(dāng)，會(huì)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)環(huán)路，并很可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。電源線和地線配合不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計(jì)示例如圖2所示。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(dāng)?shù)呐浜希娐钒宓碾娮釉骷途€路受電磁干擾(EMI)的可能性比較大。

此電路板上，設(shè)計(jì)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(yīng)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(dāng)，其設(shè)計(jì)出的環(huán)路面積為12.8平方米。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。