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详解:模拟和数字布线的相同和区别

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,但要获得更好的结果时,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。

本文设计了旁路电容、电源、地线、电压误差和PCB 电磁干扰引起的电磁干扰(EMI)讨论模拟和数字布线的基本相似性和差异。

▍旁路或去耦电容

接线时,模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容器,需要靠近其电源引脚连接电容器,通常是 0.1uF。系统供电电源侧需要另一种电容,通常这个电容值约为 10uF。

这些电容器的位置如图 1 所示。电容值范围在建议值的 1/10 到 10 倍之间。但引脚必须较短,并尽量靠近设备(对于 0.1uF 电容)或电源( 10uF 电容)。

详解:模拟和数字布线的相同和区别

图 1

在电路板上添加旁路或去耦电容器,以及这些电容器在板上的位置,是数字和模拟设计的常识。但有趣的是,原因是不同的。

在模拟布线设计中,旁路电容器通常用于旁路电源上的高频信号。如果没有旁路电容器,这些高频信号可能会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过了模拟设备抑制高频信号的能力。如果在模拟电路中不使用旁路电容器,则可能会在信号路径上引入噪声,甚至引起振动。

模拟和数字 PCB 旁路或去耦电容器(0.1uF)应尽可能靠近设备。电源去耦电容(10uF)应放置在电路板的电源线入口处。所有这些电容的引脚都应该很短。

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图 2

在图 2 电路板上,电源线和地线采用不同的路线。由于这种不恰当的配合,电路板的电子元件和线路更有可能受到电磁干扰。

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图 3

在图 3 单面板中,电路板上设备的电源线和地线相互靠近。电路板中电源线和地线的配合比图 2 中合适。电路板中的电子元件和线路受到电磁干扰(EMI) 679/12的可能性降低了 .8 倍或54 倍左右。

对于控制器和处理器等数字设备,也需要去耦电容器,但原因不同。这些电容器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大量的电流。有额外的备用电荷有利于在开关芯片上产生开关瞬态电流并通过电路板。如果开关动作没有足够的电荷,电源电压将发生很大的变化。电压变化过大会导致数字信号电平进入不确定状态,并可能导致数字设备中的状态机运行错误。

通过电路板接线的开关电流会导致电压变化。电路板接线有寄生电感,电压变化可以用以下公式计算:V = LdI/dt。其中:V = 电压的变化,L = 电路板走线感抗,dI = 电流通过布线变化,dt =电流变化的时间。

因此,由于各种原因,最好在供电电源或有源设备的电源引脚处施加旁路(或去耦)电容。

▍电源线和地线应布置在一起

电源线与地线配合良好,可降低电磁干扰的可能性。如果电源线与地线配合不当,将设计系统环,并可能产生噪声。

电源线与地线配合不当 PCB 设计示例如图 2 所示,此电路板上,设计出的环路面积为 697cm2.如图 3 所示,可大大降低电路板上或电路板外辐射噪声在环路中感应电压的可能性。

模拟和数字布线策略的区别

▍地平面是个难题

电路板布线的基本知识不仅适用于模拟电路,也适用于数字电路。基本的经验标准是使用不间断的地平面,这减少了数字电路中的 dI/dt(电流随时间变化)效应会改变地面电势,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,还需要注意的另一点是尽可能远离数字信号线和地平面中的电路。这可以通过以下方法来实现:将模拟地平面单独连接到系统的连接端,或将模拟电路放置在电路板的最远端,即线路的末端。这是为了减少信号路径的外部干扰。

数字电路不需要这样做,数字电路可以容忍地平面上的大量噪音,没有问题。

详解:模拟和数字布线的相同和区别

图 4

图4 (左)将数字开关动作与模拟电路隔离,将电路数字和模拟部分。(右)高频和低频应尽可能分开,高频元件应靠近电路板的连接器

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图 5

图5 在 PCB 两条靠近布线,容易形成寄生电容。由于这种电容器的存在,一条线上的快速电压变化可以在另一条线上产生电流信号。

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图 6

图 6 如果不注意布线的放置,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。

▍元件的位置

如上所述,在每个 PCB 在设计中,电路的噪声部分应与安静部分(非噪声部分)分开。一般来说,数字电路富含噪声,对噪声不敏感(因为数字电路具有较大的电压噪声容量);相反,模拟电路的电压噪声容量要小得多.

在两者中,模拟电路对开关噪声最敏感。这两种电路应在混合信号系统的布线中分开,如图 4 所示。

▍PCB 设计生产的寄生元件

PCB 设计中容易形成寄生电容和寄生电感两个可能出现问题的基本寄生元件。

设计电路板时,放置两条靠近对方的接线会产生寄生电容器。可以这样做:在不同的两层,一条线放在另一条线上方;或者在同一层,一条线放在另一条线旁边,如图 5 所示。

在这两种线路配置中,线路电压随时间变化(dV/dt)在另一条线路上可能会产生电流。如果另一条线路具有高阻抗性,电场产生的电流将转化为电压。

快速电压瞬变最常发生在模拟信号设计的数字侧。如果快速电压瞬变接近高阻抗模拟接线,则该误差将严重影响模拟电路的精度。在这种环境下,模拟电路有两个缺点:噪声容量远低于数字电路;高阻抗接线更为常见。

采用下述两种技术之一可以减少这种现象。最常用的技术是根据电容的方程,改变走线之间的尺寸。要改变的最有效尺寸是两条走线之间的距离。应该注意,变量 d 在电容方程的分母中,d 增加,容抗降低。另一个变量是两条线的长度。在这种情况下,长度 L 降低,两条走线之间的容抗也会降低。

另一种技术是在这两条走线之间布地线。地线是低阻抗的,而且添加这样的另外一条走线将削弱产生干扰的电场,如图 5 所示。

电路板中寄生电感产生的原理与寄生电容形成的原理类似。也是布两条走线,在不同的两层,将一条走线放置在另一条走线的上方;或者在同一层,将一条走线放置在另一条的旁边,如图 6 所示。

在这两种走线配置中,一条走线上电流随时间的变化(dI/dt),由于这条走线的感抗,会在同一条走线上产生电压;并由于互感的存在,会在另一条走线上产生成比例的电流。如果在第一条走线上的电压变化足够大,干扰可能会降低数字电路的电压容限而产生误差。并不只是在数字电路中才会发生这种现象,但这种现象在数字电路中比较常见,因为数字电路中存在较大的瞬时开关电流。

为消除电磁干扰源的潜在噪声,最好将“安静”的模拟线路和噪声 I/O 端口分开。要设法实现低阻抗的电源和地网络,应尽量减小数字电路导线的感抗,尽量降低模拟电路的电容耦合。

数字和模拟范围确定后,谨慎地布线对获得成功的 PCB 至关重要。布线策略通常作为经验准则向大家介绍,因为很难在实验室环境中测试出产品的最终成功与否。因此,尽管数字和模拟电路的布线策略存在相似之处,还是要认识到并认真对待其布线策略的差别。

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