PCB新聞 - 類比電路與數位電路和PCB設計差异

我们来分享類比電路、數位電路的印刷電路板設計路由策略的相似性。

1. 旁路或去耦電容器

對於佈線，模擬器和數位設備都需要這些類型的電容器，每種電容器都需要一個連接在其電源引脚附近的電容器。 該值通常為 0.1華氏度 系統的電源側需要另一種類型的電容器，通常約為 10華氏度 電容值的範圍是推薦值的 1/10 到 10 倍。 然而，引脚應短且靠近設備 （ 對於 0.1華氏度 電容）或電源 （ 對於 10華氏度 電容而言）。 在電路板上添加旁路或去耦電容器，以及在電路板上將這些電容器放置，在數位和類比設計中都是常識。 但有趣的是，原因各不相同。

在類比佈線設計中，旁路電容器通常用於旁路電源上的高頻訊號，如果不添加旁路電容器，這些訊號可能通過電源引脚進入敏感類比晶片。 通常，這些高頻訊號的頻率超過了模擬器抑制高頻訊號的能力。 如果在類比電路中不使用旁路電容器，則可能會將雜訊引入訊號路徑，在更糟糕的情况下，可能會 引起振動。

對於控制器和處理器等數位設備，也需要去耦電容器，但原因不同。 這些電容器的一個功能是充當 “ 微型”充電寶。 在數位電路中，通常需要大電流來進行柵極狀態的切換。 由於開關瞬態電流是在晶片上產生的，當它切換並流過電路板時，有一個額外的 “ 備用”電荷是有利的。 如果在沒有足够電荷的情况下執行開關動作，則電源電壓將發生很大變化。

如果電壓變化過大，數位信號電平將進入不確定狀態，數位設備中的狀態機可能會錯誤運行。 流過電路板佈線的開關電流會引起電壓變化，並且電路板佈線中存在寄生電感。 以下公式可用於計算電壓變化： V＝LdI/dt 其中， 五= 電壓變化；  我= 電路板接線電抗；  迪= 流經線路的電流變化；  深度 是電流改變的時間。

囙此，出於各種原因，優選在電源或有源器件的電源引脚處應用旁路 （ 或去耦）電容器。 電源電纜和接地電纜應放置在一起，以减少電磁干擾的可能性。 如果電源線和接地線沒有正確匹配，將設計一個系統環路，很可能會產生譟音。 在這個電路板上，環路面積為 697平方釐米 使用圖 3. 所示的方法，電路板上或電路板外的輻射雜訊不太可能在回路中感應電壓。

類比域和數位域之間路由策略的差异

電路板佈線的基本原理適用於類比電路和數位電路。 一個基本的經驗法則是使用一個完整的地平面。 這種常識减少了數位電路中的 資料登錄/資料傳輸（ 電流隨時間的變化）效應，這種效應會改變地電位並導致雜訊進入類比電路。 數位電路和類比電路的佈線科技基本相同，只是有一點不同。 對於類比電路，重要的是使數位信號線和接地平面中的環路盡可能遠離類比電路。 這可以通過將類比接地平面單獨連接到系統接地連接來實現，或者通過將類比電 路放置在電路板的最遠端，即線路的末端來實現。 這樣做是為了將訊號路徑保持在最小的外部干擾。 這對於數位電路來說是不必要的，因為數位電路可以毫無問題地容忍地平面中的大量雜訊。

如上所述，在每個 印刷電路板 設計中，電路的雜訊部分與 “ 安靜” （ 無雜訊）部分是分開的。 一般來說，數位電路 “ 富含”雜訊，對雜訊不敏感 （ 因為數位電路具有較大的電壓雜訊容限）； 另一方面，類比電路具有低得多的電壓雜訊容限。 在這兩者中，類比電路對開關雜訊最為敏感。 在混合訊號系統的佈線中，兩個電路是分開的。

類比電路

2、印刷電路板 設計產生的寄生組件

有兩個基本的寄生元件很容易在 印刷電路板 設計中引起問題：寄生電容和寄生電感。 在設計電路板時，將兩根導線靠近放置會產生寄生電容。 這可以通過將一條線放置在兩個不同樓層的另一條線之上來實現， 或者將一條線放在同一樓層的另一條線旁邊。 在兩種佈線配寘中，一根導線上的電壓隨時間的變化 （dV/dt） 可以在另一根導線產生電流。 如果另一條線路是高阻抗線路，則電場產生的電流將轉換為電壓。 快速電壓瞬變最常發生在類比信號設計的數位側。 如果高阻抗類比線路附近的線路出現快速電壓瞬變，這種誤差將嚴重影響類比電路的精度。

類比電路在這種環境下有兩個缺點：它們的雜訊容限比數位電路低得多； 高阻抗佈線很常見。 這可以通過使用兩種科技中的一種來减少。 最常見的科技是根據電容方程改變導線之間的尺寸。 要更改的最有效的大小是兩條線之間的距離。

應該注意的是，電容方程分母中的變數 D 隨著 D 的新增而减小。 另一個可以更改的變數是兩條線的長度。 在這種情況下，隨著長度 L 的减小，兩條線路之間的容抗也减小。 另一種科技是在兩條線路之間鋪設一條接地線。 接地線是低阻抗的，添加這樣的額外導線會削弱

3. 產生干擾的電場

電路板中寄生電感的原理與寄生電容的原理相似。 也布兩條線，在不同的兩層中，一條線放在另一條線上； 或者在同一層中將一條線放在另一條線的旁邊，如圖 6. 所示。 在這兩種佈線配寘中，由於佈線的感抗，一個佈線的電流隨時間的變化 （dI/dt） 將在同一佈線上產生電壓； 由於互感，另一條線路將產生成比例的電流。

如果第一線上的電壓變化足够大，則干擾可能降低數位電路的電壓容限並產生誤差。 這種現象並非數位電路獨有，而是在暫態開關電流較大的數位電路中更為常見。 為了消除電磁干擾源的潜在雜訊，最好將 “ 安靜”的類比線路與有雜訊的 輸入/輸出 埠分開。

為了實現低阻抗電源和接地網絡，應將數位電路導線的電感電抗降至最低，並將類比電路的電容耦合降至最低。

一旦確定了數位和類比範圍，仔細佈線對於獲得成功的 印刷電路板 至關重要。 佈線策略通常被視為經驗法則，因為很難在實驗室環境中測試產品的最終成功。 囙此儘管數位電路和類比電路的路由策略有相似之處，但應該認識到並認真對待這些差异。