PCB部落格 - 類比電路與數位電路PCB板設計的區別

本文從旁路電容器的角度討論了類比和數位佈線之間的基本异同, 電源, 地面設計, 電壓誤差, and electromagnetic interference (EMI) caused by PCB電路板 路由. 工程領域中越來越多的數位設計師和數位電路板設計反映了該行業的趨勢. 儘管對數位設計的重視帶來了電子技術的重大發展, 有, 永遠都是, 與類比或真實環境介面的電路設計的一部分. 類比域和數位域中的路由策略有一些相似之處, 但是當談到更好的結果時, 由於佈線策略不同，簡單電路佈線設計不再是解決方案.

1. Similarities of Analog and Digital Routing Strategies

1.1 Bypass or decoupling capacitors
Both analog and digital devices require these types of capacitors when wiring, 兩者都需要一個靠近其電源引脚的電容器, 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，該電容器的值約為10uF. 電容器值範圍在1之間/建議值的10倍和10倍. 然而, the pins must be short and as close as possible to the device (for 0.1uF capacitors) or the power supply (for 10uF capacitors). 在電路板上添加旁路或去耦電容器, 以及在電路板上放置這些電容器, 是數位和類比設計的常識. 但有趣的是, 原因不同. 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. 如果未添加旁路電容器, 這些高頻訊號可能通過電源引脚進入敏感的類比晶片. 通常地, 這些高頻訊號的頻率超過了類比設備拒絕高頻訊號的能力. 如果類比電路中未使用旁路電容器, 它會引入譟音和, 在更嚴重的情况下, 訊號路徑中的振動.

用於控制器和處理器等數位設備, 還需要去耦電容器, 但原因不同. 這些電容器的一個功能是充當“迷你”電荷庫. 在數位電路中, 開關柵極狀態通常需要大量電流. 由於切換時晶片上和通過電路板的切換瞬態，具有額外的“備用”電荷是有益的. 如果沒有足够的電量來執行切換動作, 這將導致電源電壓發生很大變化. 電壓變化過大可能導致數位信號電平進入不確定狀態，並可能導致數位設備中的狀態機行為不正確. 流經電路板跡線的開關電流將導致電壓變化. 電路板軌跡中存在寄生電感. 以下公式可用於計算電壓變化：V=LdI/dt. 其中V=電壓變化； L=電路板軌跡的感應電抗； dI=流經軌跡的電流變化； dt=電流變化的時間. 因此, it is good practice to apply bypass (or decoupling) capacitors at the power supply or at the power supply pins of active devices for a number of reasons. 電力電纜和接地電纜應敷設在一起. 電源電纜和接地電纜的位置匹配良好, 可以减少電磁干擾的可能性. 如果電源線和地線不正確匹配, 設計了系統中的環路，很可能會產生雜訊. 在這塊板上, 設計回路面積為697cm2. 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. 類比域和數位域中路由策略的差异.

電路板佈局的基礎知識適用於類比電路和數位電路. 基本經驗法則是使用不間斷地平面. 這一常識减少了dI/dt (current versus time) effect in digital circuits, 它可以改變地電位，並將雜訊引入類比電路. 數位電路和類比電路的佈線科技基本相同, 只有一個例外. 類比電路需要注意的另一點是使接地層中的數位信號線和環路盡可能遠離類比電路. 這可以通過將類比接地層單獨連接到系統接地連接來實現, 或者將類比電路放置在電路板的遠端, 線上路的盡頭. 這樣做是為了使訊號路徑免受外部干擾. 這對於數位電路來說是不必要的, 它可以承受地平面上的大量譟音，沒有問題.

1.2 Location of components
As mentioned above, 在每個PCB設計中, the noisy and "quiet" (non-noisy) parts of the circuit are separated. 一般來說, digital circuits are "rich" in noise and insensitive to noise (because digital circuits have a larger voltage noise margin); in contrast, 類比電路的電壓雜訊容限小得多. 兩者中的一個, 類比電路對開關雜訊很敏感.

在混合訊號系統的佈線中, 這兩個電路是分開的. 兩種可能導致問題的基本寄生組件很容易在 PCB板 設計：寄生電容和寄生電感. 設計電路板時, 將兩條記錄道彼此靠近會產生寄生電容. 這可以做到：在兩個不同的層上, 將一個軌跡置於另一個軌跡之上； 或在同一層上, 將一個軌跡放置在另一個軌跡旁邊. 在兩種跟踪配寘中, a change in voltage over time (dV/dt) on one trace may generate current on the other trace. 如果另一條記錄道為高阻抗, 電場產生的電流將轉換為電壓. 快速電壓瞬變通常發生在類比信號設計的數位側. 如果具有快速電壓瞬變的記錄道靠近高阻抗類比記錄道，則該誤差會嚴重影響類比電路的精度. 在這種環境中, 類比電路有兩個缺點：其雜訊容限遠低於數位電路； 高阻抗軌跡更常見. 可以使用下麵描述的兩種科技之一來减少這種現象. 一種常見的科技是根據電容方程改變記錄道之間的大小. 要改變的有效尺寸是兩條軌跡之間的距離. 注意，變數d是電容方程的分母, 隨著d的新增, 電容電抗降低. 另一個可以更改的變數是兩條記錄道的長度. 在這種情況下, 長度L减小，兩條記錄道之間的電容電抗也减小.

另一種科技是在這兩條記錄道之間路由接地記錄道. 地線阻抗低, 再加一條這樣的軌跡會减弱干擾電場. 電路板中寄生電感的原理與寄生電容的原理類似. 也就是說要留下兩條痕迹. 在兩個不同的層上, 將一個軌跡放在另一個軌跡的頂部； 或在同一層上, 將一個軌跡放置在另一個軌跡旁邊, 如圖6所示. 在這兩種跟踪配寘中, the change of current on one trace with time (dI/dt) will generate voltage on the same trace due to the inductive reactance of this trace; and due to the existence of mutual inductance, 它將在另一條記錄道上繪製成比例的電流. 如果軌跡上的電壓變化足够大, 干擾會降低數位電路的電壓容限並導致誤差. 這種現象並非數位電路獨有, 但它在存在大瞬態開關電流的數位電路中很常見. 消除電磁干擾源的潜在雜訊, 將“安靜”的類比線路與嘈雜的I相分離/O埠. 嘗試實現低阻抗電源和接地網絡, 數位電路導線的感應電抗應最小化, 類比電路的電容耦合應最小化.

2. Summary
Cabling strategies are often presented as a rule of thumb because it is difficult to test the ultimate success of a product in a laboratory environment. 因此, 儘管數位電路和類比電路的路由策略相似, 重要的是要認識到並認真對待路由策略的差异. 一旦確定了數位和類比範圍, 仔細的佈線是成功的關鍵 PCB板.