模擬和數(shù)字領(lǐng)域布線(xiàn)策略的不同之處

　　地平面是個(gè)難題

　　電路板布線(xiàn)的基本知識(shí)既適用于模擬電路，也適用于數(shù)字電路。一個(gè)基本的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是使用不間斷的地平面，這一常識(shí)降低了數(shù)字電路中的dI/dt(電流隨時(shí)間的變化)效應(yīng)，這一效應(yīng)會(huì)改變地的電勢(shì)并會(huì)使噪聲進(jìn)入模擬電路。數(shù)字和模擬電路的布線(xiàn)技巧基本相同，但有一點(diǎn)除外。對(duì)于模擬電路，還有另外一點(diǎn)需要注意，就是要將數(shù)字信號(hào)線(xiàn)和地平面中的回路盡量遠(yuǎn)離模擬電路。這一點(diǎn)可以通過(guò)如下做法來(lái)實(shí)現(xiàn)：將模擬地平面單獨(dú)連接到系統(tǒng)地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠(yuǎn)端，也就是線(xiàn)路的末端。這樣做是為了保持信號(hào)路徑所受到的外部干擾最小。對(duì)于數(shù)字電路就不需要這樣做，數(shù)字電路可容忍地平面上的大量噪聲，而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

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

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

　　圖6 如果不注意走線(xiàn)的放置，PCB中的走線(xiàn)可能產(chǎn)生線(xiàn)路感抗和互感。這種寄生電感對(duì)于包含數(shù)字開(kāi)關(guān)電路的電路運(yùn)行是非常有害的。

　　元件的位置

　　如上所述，在每個(gè)PCB設(shè)計(jì)中，電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字電路“富含”噪聲，而且對(duì)噪聲不敏感(因?yàn)閿?shù)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(duì)開(kāi)關(guān)噪聲最為敏感。在混合信號(hào)系統(tǒng)的布線(xiàn)中，這兩種電路要分隔開(kāi)，如圖4所示。

　　PCB設(shè)計(jì)產(chǎn)生的寄生元件

　　PCB設(shè)計(jì)中很容易形成可能產(chǎn)生問(wèn)題的兩種基本寄生元件：寄生電容和寄生電感。設(shè)計(jì)電路板時(shí)，放置兩條彼此靠近的走線(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生寄生電容?？梢赃@樣做：在不同的兩層，將一條走線(xiàn)放置在另一條走線(xiàn)的上方;或者在同一層，將一條走線(xiàn)放置在另一條走線(xiàn)的旁邊，如圖5所示。在這兩種走線(xiàn)配置中，一條走線(xiàn)上電壓隨時(shí)間的變化(dV/dt)可能在另一條走線(xiàn)上產(chǎn)生電流。如果另一條走線(xiàn)是高阻抗的，電場(chǎng)產(chǎn)生的電流將轉(zhuǎn)化為電壓。

　　快速電壓瞬變最常發(fā)生在模擬信號(hào)設(shè)計(jì)的數(shù)字側(cè)。如果發(fā)生快速電壓瞬變的走線(xiàn)靠近高阻抗模擬走線(xiàn)，這種誤差將嚴(yán)重影響模擬電路的精度。在這種環(huán)境中，模擬電路有兩個(gè)不利的方面：其噪聲容限比數(shù)字電路低得多;高阻抗走線(xiàn)比較常見(jiàn)。

　　采用下述兩種技術(shù)之一可以減少這種現(xiàn)象。最常用的技術(shù)是根據(jù)電容的方程，改變走線(xiàn)之間的尺寸。要改變的最有效尺寸是兩條走線(xiàn)之間的距離。應(yīng)該注意，變量d在電容方程的分母中，d增加，容抗會(huì)降低?？筛淖兊牧硪粋€(gè)變量是兩條走線(xiàn)的長(zhǎng)度。在這種情況下，長(zhǎng)度L降低，兩條走線(xiàn)之間的容抗也會(huì)降低。

　　另一種技術(shù)是在這兩條走線(xiàn)之間布地線(xiàn)。地線(xiàn)是低阻抗的，而且添加這樣的另外一條走線(xiàn)將削弱產(chǎn)生干擾的電場(chǎng)，如圖5所示。

　　電路板中寄生電感產(chǎn)生的原理與寄生電容形成的原理類(lèi)似。也是布兩條走線(xiàn)，在不同的兩層，將一條走線(xiàn)放置在另一條走線(xiàn)的上方;或者在同一層，將一條走線(xiàn)放置在另一條的旁邊，如圖6所示。在這兩種走線(xiàn)配置中，一條走線(xiàn)上電流隨時(shí)間的變化(dI/dt)，由于這條走線(xiàn)的感抗，會(huì)在同一條走線(xiàn)上產(chǎn)生電壓;并由于互感的存在，會(huì)在另一條走線(xiàn)上產(chǎn)生成比例的電流。如果在第一條走線(xiàn)上的電壓變化足夠大，干擾可能會(huì)降低數(shù)字電路的電壓容限而產(chǎn)生誤差。并不只是在數(shù)字電路中才會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象在數(shù)字電路中比較常見(jiàn)，因?yàn)閿?shù)字電路中存在較大的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)電流。

　　為消除電磁干擾源的潛在噪聲，最好將“安靜”的模擬線(xiàn)路和噪聲I/O端口分開(kāi)。要設(shè)法實(shí)現(xiàn)低阻抗的電源和地網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)盡量減小數(shù)字電路導(dǎo)線(xiàn)的感抗，盡量降低模擬電路的電容耦合。

　　小結(jié)

　　數(shù)字和模擬范圍確定后，謹(jǐn)慎地布線(xiàn)對(duì)獲得成功的PCB至關(guān)重要。布線(xiàn)策略通常作為經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則向大家介紹，因?yàn)楹茈y在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試出產(chǎn)品的最終成功與否。因此，盡管數(shù)字和模擬電路的布線(xiàn)策略存在相似之處，還是要認(rèn)識(shí)到并認(rèn)真對(duì)待其布線(xiàn)策略的差別。