PCB模擬和數字布線設計的異同分析

盡管數字電路板設計已成為行業發展趨勢，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性和差異化。
　　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0.1mF。系統供電電源側需要另一類電容，通常此電容值大約為10mF。
　　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0.1mF電容)或供電電源(對于10mF電容)。
　　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。

　　圖1 在模擬和數字PCB設計中，旁路或去耦電容(1mF)應盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容(10mF)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

　　圖2 在此電路板上，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

　　圖3 在此單面板中，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。