PCB布線設(shè)計(jì)(之六)

圖1 負(fù)載單元傳感器輸出端的信號(hào)由雙運(yùn)放儀表放大器放大，然后由12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3201濾波和數(shù)字化。每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。

圖2 在精度高于12位的電路中，PCB上有源元件的放置很重要。要將高頻元件 和數(shù)字器件盡量靠近接插件放置。

圖3 圖1電路的頂層布線和底層布線，此布線中沒有地平面和電源平面。注意：為降低電源線的感抗，電源線要比信號(hào)線寬很多。

圖4 在沒有地平面或電源平面的PCB(PCB布線如圖3所示)中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出4096次采樣的柱狀圖。電路的噪聲碼寬度為15個(gè)碼。

布線的一般準(zhǔn)則
器件布局
既然是采用手工布線，那么第一個(gè)步驟是在板上放置器件。將噪聲敏感器件和產(chǎn)生噪聲器件分開放置。完成這個(gè)任務(wù)有兩個(gè)準(zhǔn)則：
1. 將電路中器件分成兩大類：高速(>40MHz)器件和低速器件。如果可能的話，將高速器件盡量靠近板的接插件和電源放置。
2. 將上述大類再分成三個(gè)子類：純數(shù)字、純模擬和混合信號(hào)。將數(shù)字器件盡量靠近板的接插件和電源放置。
電路板的布線策略要符合圖2所示的器件布局圖。注意圖2a中高速器件、低速器件與電路板的接插件和電源之間的關(guān)系。在圖2b中，數(shù)字器件最靠近電路板的接插件和電源，與其它數(shù)字和模擬電路分離開了。純模擬器件距離數(shù)字器件最遠(yuǎn)，以確保開關(guān)噪聲不會(huì)耦合到模擬信號(hào)路徑中。A/D轉(zhuǎn)換器的布線策略在本刊2004年1月中有詳細(xì)論述。
地和電源策略
確定了器件的大體位置后，就可以定義地平面和電源平面了。實(shí)現(xiàn)這些平面是需要一些策略技巧的。
在PCB中不使用地平面是很危險(xiǎn)的，尤其是在模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。其一，因?yàn)槟M信號(hào)是以地為基準(zhǔn)的，地噪聲問題比電源噪聲問題更難應(yīng)對(duì)。例如，在圖1所示電路中，A/D轉(zhuǎn)換器(MCP3201)的反相輸入引腳是接地的；二，地平面還對(duì)噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問題，但是，如果沒有地平面，要克服這些問題幾乎是不可能的。
這里，假設(shè)不需要地平面。圖1所示的電路無地平面布線，如圖3所示。
“不需要地平面”的理論還行得通嗎？這可以通過數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。在圖4中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了4096次采樣并記錄了數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，沒有在傳感器上施加激勵(lì)。采用這種電路布線，控制器專用于與轉(zhuǎn)換器接口，并將轉(zhuǎn)換器的結(jié)果發(fā)送到LCD顯示器。

圖 5 圖1電路的頂層和底層布線。注意此布線中有地平面。

圖 6 在有地平面的PCB(PCB布線如圖5所示)中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出4096次采樣的柱狀圖。噪聲碼寬度為11個(gè)碼。

圖 7 在PCB上將兩條走線靠近放置，就會(huì)產(chǎn)生寄生電容。信號(hào)會(huì)通過這種寄生電容在走線之間耦合。

圖8 顯示在圖1電路中添加一個(gè)四階抗信號(hào)混疊濾波器后的轉(zhuǎn)換結(jié)果。另外，電路板布線中添加了地平面。

圖5所示的布線與圖3中的布線基本相同，但在底層添加了地平面。地平面(圖5b)有幾處被信號(hào)線打斷，應(yīng)盡量減少地平面被斷開的次數(shù)。電流返回路徑不應(yīng)縮短，因?yàn)檫@些走線會(huì)限制從器件到電源接插件的電流流動(dòng)。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的柱狀圖如圖6所示。與圖4相比，輸出碼要密集得多。兩次測(cè)試中使用了相同的有源器件。無源器件不同，會(huì)導(dǎo)致較小的偏置差異。
從上述數(shù)據(jù)很容易看出，地平面確實(shí)對(duì)電路噪聲有抑制作用。當(dāng)電路中沒有地平面時(shí)，噪聲的寬度大約為15個(gè)碼；添加了地平面后，性能提高了約1.5倍或15/11倍。請(qǐng)注意，測(cè)試是在電磁干擾較低的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。
A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字碼的噪聲可歸因于運(yùn)放的噪聲和缺少抗信號(hào)混疊濾波器。如果電路中有“最少”量的數(shù)字電路，可能只需要一個(gè)地平面和一個(gè)電源平面就可以了?！白钌佟笨捎呻娐钒逶O(shè)計(jì)人員定義。將數(shù)字和模擬地平面連接在一起的危險(xiǎn)在于，模擬電路會(huì)從電源引腳引入噪聲，并將噪聲耦合到信號(hào)路徑中。在電路的一點(diǎn)或多點(diǎn)上，要將模擬電路和數(shù)字電路的地和電源連接在一起，以確保所有器件的電源、輸入和輸出共地，其標(biāo)稱值不會(huì)被破壞。
在12位系統(tǒng)中，電源平面并不象地平面那么重要。盡管電源平面可以解決許多問題，使電源線比電路板上其它走線寬兩倍或三倍，以及有效使用旁路電容，都可以降低電源的噪聲。
信號(hào)線
電路板(包括數(shù)字和模擬電路)上的信號(hào)線要盡量短。這個(gè)基本準(zhǔn)則將降低無關(guān)信號(hào)耦合到信號(hào)路徑的可能性。尤其要注意的是模擬器件的輸入端，這些輸入端通常比輸出引腳或電源引腳具有更高的阻抗。例如，A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間是最為敏感的。對(duì)于圖1中的12位轉(zhuǎn)換器，輸入引腳(IN+和IN-)對(duì)引入的噪聲也很敏感。運(yùn)放的輸入端也有可能在信號(hào)路徑中引入噪聲。這些端通常具有109W至1013W的輸入阻抗。
高阻抗輸入端對(duì)于輸入電流比較敏感。如果從高阻抗輸入端引出的走線靠近有快速變化電壓的走線(如數(shù)字或時(shí)鐘信號(hào)線)，就會(huì)發(fā)生這種情況，此時(shí)電荷通過寄生電容耦合到高阻抗走線中。
這兩條走線之間的關(guān)系如圖7所示。圖中，兩條走線之間寄生電容的值主要取決于走線之間的距離(d)，以及兩條走線保持平行的長度(L)。通過這個(gè)模型，高阻抗走線中產(chǎn)生的電流等于：
I=C dV/dt
其中：I是高阻抗走線上的電流，C是兩條PCB走線之間的電容值，dV 是有開關(guān)動(dòng)作的走線上的電壓變化，dt 是電壓從一個(gè)電平變化到下一個(gè)電平所用的時(shí)間。

旁路電容和抗信號(hào)混疊濾波器的使用
有關(guān)旁路電容的一個(gè)原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設(shè)計(jì)電路時(shí)，沒有加旁路電容，電源噪聲很可能使電路的精度達(dá)不到12位。
旁路電容
可在電路板上的如下兩個(gè)位置放置旁路電容：一個(gè)電容(10mF至100mF)放置在電源側(cè)，另一個(gè)電容放置在每個(gè)有源器件(包括數(shù)字和模擬器件)旁邊。加在器件上旁路電容的值取決于使用的器件。如果器件的帶寬小于或等于1MHz，那么采用1mF的電容可以顯著降低引入的噪聲。如果器件的帶寬大于10MHz，0.1mF的電容可能比較合適。如果帶寬在這兩個(gè)頻率之間，可同時(shí)使用這兩種容值的電容，或使用其一。
電路板上的每個(gè)有源器件都需要一個(gè)旁路電容。旁路電容必須盡可能靠近器件的電源引腳放置，如圖5所示。如果一個(gè)器件使用了兩個(gè)旁路電容，容值小的電容要最靠近器件引腳。而且，旁路電容的引腳要盡量短。
抗信號(hào)混疊濾波器
請(qǐng)注意，圖1所示的電路中沒有抗信號(hào)混疊濾波器。正如數(shù)據(jù)所顯示，這一疏忽在電路中引起了噪聲問題。此電路板中，當(dāng)在儀表放大器的輸出和A/D轉(zhuǎn)換器的輸入之間接入一個(gè)四階、10Hz抗信號(hào)混疊濾波器時(shí)，轉(zhuǎn)換響應(yīng)的性能大為提高，如圖8所示。
模擬濾波可在模擬信號(hào)到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器之前，消除疊加在模擬信號(hào)上的噪聲，尤其是無關(guān)的噪聲尖峰。A/D轉(zhuǎn)換器將對(duì)出現(xiàn)在其輸入端的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種信號(hào)可能包括傳感器電壓信號(hào)或噪聲，抗信號(hào)混疊濾波器消除了轉(zhuǎn)換過程中的高頻噪聲。

PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
只要遵循如下幾個(gè)準(zhǔn)則，良好的12位布線技巧并不難掌握：
1. 檢查器件相對(duì)于接插件的位置，確保高速器件和數(shù)字器件最靠近接插件。
2. 電路中至少要有一個(gè)地平面。
3. 使電源線比板上的其它走線寬。
4. 檢查電流回路，尋找地線中的可能噪聲源。這可通過確定地平面上所有點(diǎn)的電流密度和可能存在的噪聲量來實(shí)現(xiàn)。
5. 正確旁路所有器件，將電容盡量靠近器件的電源引腳放置。
6. 使所有走線都盡量短。
7. 查看所有的高阻抗走線，逐條走線查找可能的電容耦合問題。
8. 確保對(duì)混合信號(hào)電路中的信號(hào)正確濾波。■

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