模擬電路和數字電路PCB設計的區別詳解

　　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地連接端，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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　小結

　　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。