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詳解:模擬和數字布線的相同和區別

2020-02-27 10:27 來源:互聯網 編輯:咩咩

工程領域中的數字設計人員和數字電路板設計專家在不斷增加,這反映了行業的發展趨勢。盡管對數字設計的重視帶來了電子產品的重大發展,但仍然存在,而且還會一直存在一部分與模擬或現實環境接口的電路設計。模擬和數字領域的布線策略有一些類似之處,但要獲得更好的結果時,由于其布線策略不同,簡單電路布線設計就不再是最優方案了。

本文就旁路電容、電源、地線設計、電壓誤差和由 PCB 布線引起的電磁干擾(EMI)等幾個方面,討論模擬和數字布線的基本相似之處及差別。 

模擬和數字布線策略的相似之處

▍旁路或去耦電容

在布線時,模擬器件和數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電容,此電容值通常為 0.1uF。系統供電電源側需要另一類電容,通常此電容值大約為 10uF。

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(對于 0.1uF 電容)或供電電源(對于 10uF 電容)。

詳解:模擬和數字布線的相同和區別

圖 1

在電路板上加旁路或去耦電容,以及這些電容在板上的位置,對于數字和模擬設計來說都屬于常識。但有趣的是,其原因卻有所不同。

在模擬布線設計中,旁路電容通常用于旁路電源上的高頻信號,如果不加旁路電容,這些高頻信號可能通過電源引腳進入敏感的模擬芯片。一般來說,這些高頻信號的頻率超出模擬器件抑制高頻信號的能力。如果在模擬電路中不使用旁路電容的話,就可能在信號路徑上引入噪聲,更嚴重的情況甚至會引起振動。

在模擬和數字 PCB 設計中,旁路或去耦電容(0.1uF)應盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容(10uF)應放置在電路板的電源線入口處。所有情況下,這些電容的引腳都應較短。

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圖 2

在圖 2 此電路板上,使用不同的路線來布電源線和地線,由于這種不恰當的配合,電路板的電子元器件和線路受電磁干擾的可能性比較大。

詳解:模擬和數字布線的相同和區別

圖 3

在圖 3 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。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。 

對于控制器和處理器這樣的數字器件,同樣需要去耦電容,但原因不同。這些電容的一個功能是用作“微型”電荷庫。

在數字電路中,執行門狀態的切換通常需要很大的電流。由于開關時芯片上產生開關瞬態電流并流經電路板,有額外的“備用”電荷是有利的。如果執行開關動作時沒有足夠的電荷,會造成電源電壓發生很大變化。電壓變化太大,會導致數字信號電平進入不確定狀態,并很可能引起數字器件中的狀態機錯誤運行。

流經電路板走線的開關電流將引起電壓發生變化,電路板走線存在寄生電感,可采用如下公式計算電壓的變化:V = LdI/dt。其中:V = 電壓的變化,L = 電路板走線感抗,dI = 流經走線的電流變化,dt =電流變化的時間。

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)電容是較好的做法。

▍電源線和地線要布在一起

電源線和地線的位置良好配合,可以降低電磁干擾的可能性。如果電源線和地線配合不當,會設計出系統環路,并很可能會產生噪聲。

電源線和地線配合不當的 PCB 設計示例如圖 2 所示,此電路板上,設計出的環路面積為 697cm2。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路中感應電壓的可能性可大為降低。

模擬和數字領域布線策略的不同之處

▍地平面是個難題

電路板布線的基本知識既適用于模擬電路,也適用于數字電路。一個基本的經驗準則是使用不間斷的地平面,這一常識降低了數字電路中的 dI/dt(電流隨時間的變化)效應,這一效應會改變地的電勢并會使噪聲進入模擬電路。

數字和模擬電路的布線技巧基本相同,但有一點除外。對于模擬電路,還有另外一點需要注意,就是要將數字信號線和地平面中的回路盡量遠離模擬電路。這一點可以通過如下做法來實現:將模擬地平面單獨連接到系統的連接端,或者將模擬電路放置在電路板的最遠端,也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號路徑所受到的外部干擾最小。

對于數字電路就不需要這樣做,數字電路可容忍地平面上的大量噪聲,而不會出現問題。

詳解:模擬和數字布線的相同和區別

圖 4

圖 4 (左)將數字開關動作和模擬電路隔離,將電路的數字和模擬部分分開。(右)要盡可能將高頻和低頻分開,高頻元件要靠近電路板的接插件。

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圖 5

圖 5 在 PCB 上布兩條靠近的走線,很容易形成寄生電容。由于這種電容的存在,在一條走線上的快速電壓變化,可在另一條走線上產生電流信號。

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圖 6

圖 6 如果不注意走線的放置,PCB 中的走線可能產生線路感抗和互感。這種寄生電感對于包含數字開關電路的電路運行是非常有害的。

▍元件的位置

如上所述,在每個 PCB 設計中,電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開。一般來說,數字電路“富含”噪聲,而且對噪聲不敏感(因為數字電路有較大的電壓噪聲容限);相反,模擬電路的電壓噪聲容限就小得多.

兩者之中,模擬電路對開關噪聲最為敏感。在混合信號系統的布線中,這兩種電路要分隔開,如圖 4 所示。

▍PCB 設計產生的寄生元件

PCB 設計中很容易形成可能產生問題的兩種基本寄生元件:寄生電容和寄生電感。

設計電路板時,放置兩條彼此靠近的走線就會產生寄生電容。可以這樣做:在不同的兩層,將一條走線放置在另一條走線的上方;或者在同一層,將一條走線放置在另一條走線的旁邊,如圖 5 所示。

在這兩種走線配置中,一條走線上電壓隨時間的變化(dV/dt)可能在另一條走線上產生電流。如果另一條走線是高阻抗的,電場產生的電流將轉化為電壓。

快速電壓瞬變最常發生在模擬信號設計的數字側。如果發生快速電壓瞬變的走線靠近高阻抗模擬走線,這種誤差將嚴重影響模擬電路的精度。在這種環境中,模擬電路有兩個不利的方面:其噪聲容限比數字電路低得多;高阻抗走線比較常見。

采用下述兩種技術之一可以減少這種現象。最常用的技術是根據電容的方程,改變走線之間的尺寸。要改變的最有效尺寸是兩條走線之間的距離。應該注意,變量 d 在電容方程的分母中,d 增加,容抗會降低。可改變的另一個變量是兩條走線的長度。在這種情況下,長度 L 降低,兩條走線之間的容抗也會降低。

另一種技術是在這兩條走線之間布地線。地線是低阻抗的,而且添加這樣的另外一條走線將削弱產生干擾的電場,如圖 5 所示。

電路板中寄生電感產生的原理與寄生電容形成的原理類似。也是布兩條走線,在不同的兩層,將一條走線放置在另一條走線的上方;或者在同一層,將一條走線放置在另一條的旁邊,如圖 6 所示。

在這兩種走線配置中,一條走線上電流隨時間的變化(dI/dt),由于這條走線的感抗,會在同一條走線上產生電壓;并由于互感的存在,會在另一條走線上產生成比例的電流。如果在第一條走線上的電壓變化足夠大,干擾可能會降低數字電路的電壓容限而產生誤差。并不只是在數字電路中才會發生這種現象,但這種現象在數字電路中比較常見,因為數字電路中存在較大的瞬時開關電流。

為消除電磁干擾源的潛在噪聲,最好將“安靜”的模擬線路和噪聲 I/O 端口分開。要設法實現低阻抗的電源和地網絡,應盡量減小數字電路導線的感抗,盡量降低模擬電路的電容耦合。

結語

數字和模擬范圍確定后,謹慎地布線對獲得成功的 PCB 至關重要。布線策略通常作為經驗準則向大家介紹,因為很難在實驗室環境中測試出產品的最終成功與否。因此,盡管數字和模擬電路的布線策略存在相似之處,還是要認識到并認真對待其布線策略的差別。

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