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PCB布线设计经验谈—模拟和数字布线的异同

尽管对数字设计的重视带来了电子产品的重大发展,但仍然存在,而且还会一直存在一部分与模拟或现实环境接口的电路设计。

作者:佚名来源:华强电子网|2018-09-18 09:28

工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计专家在不断增加,这反映了行业的发展趋势。尽管对数字设计的重视带来了电子产品的重大发展,但仍然存在,而且还会一直存在一部分与模拟或现实环境接口的电路设计。模拟和数字领域的布线策略有一些类似之处,但在获得更好的结果时,由于其布线策略不同,简单电路布线设计就不再是最优方案了。本文就旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由PCB布线引起的电磁干扰(EMI)等几个方面,讨论模拟和数字布线的基本相似之处及差别。

模拟和数字布线策略的相似之处

旁路或去耦电容

在布线时,模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容,都需要靠近其电源引脚连接一个电容,此电容值通常为0.1mF。系统供电电源侧需要另一类电容,通常此电容值大约为10mF。

这些电容的位置如图1所示。电容取值范围为推荐值的1/10至10倍之间。但引脚须较短,且要尽量靠近器件(对于0.1mF电容)或供电电源(对于10mF电容)。

在电路板上加旁路或去耦电容,以及这些电容在板上的位置,对于数字和模拟设计来说都属于常识。但有趣的是,其原因却有所不同。在模拟布线设计中,旁路电容通常用于旁路电源上的高频信号,如果不加旁路电容,这些高频信号可能通过电源引脚进入敏感的模拟芯片。

一般来说,这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。如果在模拟电路中不使用旁路电容的话,就可能在信号路径上引入噪声,更严重的情况甚至会引起振动。

图1

在模拟和数字PCB设计中,旁路或去耦电容(1mF)应尽量靠近器件放置。供电电源去耦电容(10mF)应放置在电路板的电源线入口处。所有情况下,这些电容的引脚都应较短。

图2

在此电路板上,使用不同的路线来布电源线和地线,因为这种不恰当的配合,电路板的电子元器件和线路受电磁干扰的可能性比较大。

图3

在此单面板中,到电路板上器件的电源线和地线彼此靠近。此电路板中电源线和地线的配合比图2中恰当。电路板中电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或约54倍。

对于控制器和处理器这样的数字器件,同样需要去耦电容,但原因不同。这些电容的一个功能是用作“微型”电荷库。在数字电路中,执行门状态的切换通常需要很大的电流。因为开关时芯片上产生开关瞬态电流并流经电路板,有额外的“备用”电荷是有利的。如果执行开关动作时没有足够的电荷,会造成电源电压发生很大变化。电压变化太大,会导致数字信号电平进入不确定状态,并很可能引起数字器件中的状态机错误运行。流经电路板走线的开关电流将引起电压发生变化,电路板走线存在寄生电感,可采用如下公式计算电压的变化:V = LdI/dt

其中,V = 电压的变化;L = 电路板走线感抗;dI = 流经走线的电流变化;dt =电流变化的时间。

因此,基于多种原因,在供电电源处或有源器件的电源引脚处施加旁路(或去耦)电容是较好的做法。

电源线和地线要布在一起

电源线和地线的位置良好配合,可以降低电磁干扰的可能性。如果电源线和地线配合不当,会设计出系统环路,并很可能会产生噪声。电源线和地线配合不当的PCB设计示例如上文图2所示。

此电路板上,设计出的环路面积为697c㎡。采用上文图3所示的方法,电路板上或电路板外的辐射噪声在环路中感应电压的可能性可大为降低。

模拟和数字领域布线策略的不同之处

地平面是个难题

电路板布线的基本知识既适用于模拟电路,也适用于数字电路。一个基本的经验准则是使用不间断的地平面,这一常识降低了数字电路中的dI/dt(电流随时间的变化)效应,这一效应会改变地的电势,并会使噪声进入模拟电路。数字和模拟电路的布线技巧基本相同,但有一点除外。对于模拟电路,还有另外一点需要注意,就是要将数字信号线和地平面中的回路尽量远离模拟电路。这一点可以通过如下做法来实现:将模拟地平面单独连接到系统地连接端,或者将模拟电路放置在电路板的最远端,也就是线路的末端。这样做是为了保持信号路径所受到的外部干扰最小。对于数字电路就不需要这样做,数字电路可容忍地平面上的大量噪声,而不会出现问题。

图4

(左)将数字开关动作和模拟电路隔离,将电路的数字和模拟部分分开。 (右) 要尽可能将高频和低频分开,高频元件要靠近电路板的接插件。

图5

在PCB上布两条靠近的走线,很容易形成寄生电容。由于这种电容的存在,在一条走线上的快速电压变化,可在另一条走线上产生电流信号。

图6

如果不注意走线的放置,PCB中的走线可能产生线路感抗和互感。这种寄生电感对于包含数字开关电路的电路运行是非常有害的。

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