PCB設(shè)計(jì)模擬布局與數(shù)字布局技術(shù)的要領(lǐng)

1、關(guān)于模擬布局和數(shù)字布局技術(shù)的要領(lǐng)與應(yīng)用  摘要：本文對(duì)旁路電容、電源、地線設(shè)計(jì)、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMl)等幾個(gè)方面問(wèn)題，以及和模擬和數(shù)字布線的基本準(zhǔn)則進(jìn)行討論與分析，并以12位傳感系統(tǒng)為例對(duì)布局竅門(mén)的應(yīng)用作說(shuō)明。關(guān)鍵詞：模擬數(shù)字布局 電磁干擾(EMl) PCB設(shè)計(jì) 噪聲容限 高阻抗 前言 現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域中的數(shù)字設(shè)計(jì)人員和數(shù)字電路板設(shè)計(jì)人員在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。盡管對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)的發(fā)展與重視給電子產(chǎn)品帶來(lái)了重大發(fā)展，但并不是說(shuō)模擬電路設(shè)計(jì)重要可以大幅下降，相反仍然存在，而且還會(huì)一直存在著一部分?jǐn)?shù)字電路與模擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口的

2、電路設(shè)計(jì)。特別是模擬布局和數(shù)字布局技術(shù)是不能掉以輕心的，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到電子產(chǎn)品的質(zhì)量，是電子產(chǎn)品工程化很關(guān)鍵的步驟，也是設(shè)計(jì)人員迫切希望了解資掌握的問(wèn)題。 應(yīng)該說(shuō)，模擬和數(shù)字領(lǐng)域的布線策略有一些類似之處，但要獲得更好的結(jié)果時(shí)，若采用的布線策略不同，即仍舊是用簡(jiǎn)單電路布線設(shè)計(jì)，則不再是最優(yōu)或最佳方案了。為此，本文就旁路電容、電源、地線設(shè)計(jì)、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMl)等幾個(gè)方面，就模擬和數(shù)宇布線的基本相似之處與差別及以12位傳感系統(tǒng)為例說(shuō)明的布局竅門(mén)進(jìn)行討論與分析。為此，先述模擬和數(shù)字布線要領(lǐng)的相之處。 一、模擬和數(shù)字布線要領(lǐng)的相似。 1、 旁路

3、或去耦電容 在布線時(shí)，模擬器件和數(shù)宇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(gè)旁路電容，此電容值通常為0.1µF。系統(tǒng)供電電源側(cè)需要另一類去耦電容，通常此電容值大約為10µF。 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(為0.1µF 電容)或供電電源(為10µF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布置，對(duì)于數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)都屬于基本常識(shí)，但其功能卻是有區(qū)別的。 在模擬布線設(shè)計(jì)中旁路電容通常用于旁路電源上的高頻

4、信號(hào)，如果不加旁路電容，這些高頻信號(hào)可能通過(guò)電源引腳進(jìn)入敏感的模擬芯片。一般來(lái)說(shuō)，這些高頻信號(hào)的頻率超出模擬器件抑制高頻信號(hào)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(hào)路徑上引入噪聲，更嚴(yán)重的情況甚至?xí)鹫駝?dòng)。 而對(duì)于控制器和處理器這樣的數(shù)字器件來(lái)說(shuō)，同樣需要去耦電容，但原因不同。這些電容的一個(gè)功能是用作“微型”電荷庫(kù)，這是因?yàn)樵跀?shù)字電路中，執(zhí)行門(mén)狀態(tài)的切換(即開(kāi)關(guān)切換)通常需要很大的電流，當(dāng)開(kāi)關(guān)時(shí)芯片上產(chǎn)生開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流并流經(jīng)電路板，有這額外的“備用”電荷是有利的。如果執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)沒(méi)有足夠的電荷，會(huì)造成電源電壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平進(jìn)入不確定狀

5、態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài)機(jī)錯(cuò)誤運(yùn)行。流經(jīng)電路板走線的開(kāi)關(guān)電流將引起電壓發(fā)生變化，由于電路板走線存在寄生電感，則可采用如下公式計(jì)算電壓的變化：V=Ldl/dt其中V=電壓的變化 L=電路板走線感抗 dI=流經(jīng)走線的電流變化 dt=電流變化的時(shí)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)電容是非常好的做法。 2、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(EMl)的可能性。如果電源線和地線配合不當(dāng)，會(huì)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)環(huán)路，并很可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。電源線和地線配合不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計(jì)示例如圖2所示。在此電路板上，使用不同的路線來(lái)布

6、電源線和地線，由于這種不恰當(dāng)?shù)呐浜希娐钒宓碾娮釉骷途€路受電磁干擾(EMI)的可能性比較大。  此電路板上，設(shè)計(jì)出的環(huán)路面積為。而采用圖3所示的方法，電路板上或電路板外的輻射噪聲在環(huán)路中感應(yīng)電壓的可能性會(huì)大大降低。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(dāng)，其設(shè)計(jì)出的環(huán)路面積為。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。  二、模擬和數(shù)字領(lǐng)域布線要領(lǐng)的不同之處 1、 地平面可能是個(gè)難題 電路板布線的基本知識(shí)既適用于模擬電路，也適用于數(shù)字

7、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，這一基本準(zhǔn)則可降低了數(shù)字電路中的dIdt(電流隨時(shí)間的變化)效應(yīng)，因?yàn)閐Idt效應(yīng)會(huì)造成地的電勢(shì)并使噪聲進(jìn)入模擬電路。 數(shù)字和模擬電路的布線技巧基本相同，但有一點(diǎn)除外。對(duì)于模擬電路，還要另外一點(diǎn)需要注意，就是要將數(shù)字信號(hào)線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。 2、元件的位置 如上所

8、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“可含”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)的布線中，這兩種電路要分隔開(kāi)，如圖4所示，其4(a)將電路的數(shù)字和模擬部分分隔開(kāi)，數(shù)字電路應(yīng)靠近接扦件和電源位置；其4(b)盡可能將高頻和低頻分開(kāi)，其高頻元件應(yīng)放置在接扦件和電源附近。 3、PCB設(shè)計(jì)產(chǎn)生的寄生電容和寄生電感 PCB設(shè)計(jì)中可能會(huì)產(chǎn)生的問(wèn)題是，寄生電容和寄生電感很容易形成。 3.1寄生電容的產(chǎn)生與減少。

9、 設(shè)計(jì)電路板時(shí)，放置兩條彼此靠近的走線就會(huì)產(chǎn)生寄生電容，這是用了以下走線方法所產(chǎn)生的，見(jiàn)圖5所示。即在不同的兩層，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。在這兩種走線配置中，一條走線上電壓隨時(shí)間的變化(dV/dt)可能在另一條走線上產(chǎn)生電流。如果另一條走線是高阻抗的，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靠近高阻抗模擬走線，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；高阻抗走線比較常見(jiàn)。那采用何種技術(shù)可

10、以減少這種現(xiàn)象呢? 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)如下的電容公式，   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(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。可改變的另一個(gè)變量是兩條走線的長(zhǎng)度。在這種情況下，長(zhǎng)度“L”減小，兩條走線之間的容抗也會(huì)降低。 另一種技術(shù)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(chǎn)生干擾的電場(chǎng)，如圖5所示。 3.2寄生電感產(chǎn)生與降低 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似。也是布兩條走線，在不

11、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(shí)間的變化(dI/dt) ，由于這條走線的感抗，會(huì)在同一條走線上產(chǎn)生電壓，并由于互感的存在，會(huì)在另一條走線上產(chǎn)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(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)線的感抗，盡

12、量降低模擬電路的電容耦合。 三、以12位傳感系統(tǒng)為例說(shuō)明的布局竅門(mén) 12位傳感系統(tǒng)簡(jiǎn)介布局竅門(mén)以12位傳感系統(tǒng)的良好布線方法作為應(yīng)用舉例，其目的為了討論概念和原理，而不是為了將某個(gè)布線推薦為唯一可用的方案。 其應(yīng)用電路是一負(fù)載單元電路，該電路可精確測(cè)量傳感器上施加的重量，然后將結(jié)果顯示在LCD顯示屏。系統(tǒng)電路原理圖如圖7所示。這兒采用的負(fù)載單元是Omega公司的LCL-816G橋式壓力傳感器.LCL-816G傳感器模型是由四個(gè)電阻元件組成的橋，需電壓激勵(lì)。將5V激勵(lì)電壓加在傳感器高端，施加32盎司(重量單位)最大信號(hào)時(shí)，滿刻度輸出擺幅為+/-10mV差分信號(hào)。該小

13、差分信號(hào)被雙運(yùn)放儀表放大器(MCP6021)放大。根據(jù)電路精度要求，選了一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)轉(zhuǎn)換器將輸入端的電壓進(jìn)行數(shù)字化后，數(shù)字碼經(jīng)轉(zhuǎn)換器SPI(串行外設(shè)端口發(fā)送到單片機(jī)。然后，單片機(jī)用軟件查表法表將來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量。此時(shí)如需要的話，線性化和標(biāo)定工作可由單片機(jī)(控制器)代碼實(shí)現(xiàn)。完成這一步后，結(jié)果送到LCD顯示器。最后一步是為控制器軟件固化。電路設(shè)計(jì)好后，下面即可設(shè)計(jì)印刷電路板和布線了。 1、 關(guān)于設(shè)計(jì)印刷電路板和布線 需要說(shuō)明的是， 若使用自動(dòng)布線工具，則，經(jīng)常要返回來(lái)對(duì)布線做很大的修改。如果自動(dòng)布線工具可以實(shí)現(xiàn)布線限制，可能還有成功的可能性。

14、但如果自動(dòng)布線工具沒(méi)有限制選項(xiàng)的話，為此，最好的方法是不要使用自動(dòng)布線工具，為此采用手工布線。 1.1布線的一般準(zhǔn)則 *器件布局既然是采用手工布線，那么第一個(gè)步驟是在板上放置器件。這個(gè)關(guān)鍵步驟應(yīng)該做的比較好，因?yàn)榭蓪⒃肼暶舾衅骷彤a(chǎn)生噪聲器件分開(kāi)放置。完成這個(gè)任務(wù)有兩個(gè)準(zhǔn)則： 第一、將電路中器件分成兩大類：高速(>40MHz)器件和低速器件。如果可能的話，將高速器件盡量靠近板的接插件和電源放置。第二、將上述大類再分成三個(gè)子類：純數(shù)字、純模擬和混合信號(hào).電路板的布線要符合要領(lǐng)：器件布局圖應(yīng)注意高速器件、低速器件與電路板的接插件和電源之間的關(guān)系；數(shù)字器件最靠近電路板的接插

15、件和電源，與其他數(shù)字和模擬電路分離開(kāi)了，與圖4(a) 類同; 要將高頻元件盡量靠近接插件和電源放置， 與圖4(b) 類同；純模擬器件距離數(shù)字器件最遠(yuǎn)，以確保開(kāi)關(guān)噪聲不會(huì)耦合到模擬信號(hào)路徑中。 *地和電源策略確定了器件的大體位置后，就可以定義地平面和電源平面了。實(shí)現(xiàn)這些平面是需要一些策略技巧的。首先，在PCB中不使用地平面是很危險(xiǎn)的，尤其是在模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。這是何因呢？其一，因?yàn)槟M信號(hào)是以地為基準(zhǔn)的，地噪聲問(wèn)題比電源噪聲問(wèn)題更難應(yīng)對(duì)。例如，在圖7所示電路中，AD轉(zhuǎn)換器(MCP3201)的反相輸入引腳是接地的；其二，地平面還對(duì)噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問(wèn)題，如圖

16、8所示的布線在底層添加了地平面。地平面(圖8b)有幾處被信號(hào)線打斷，應(yīng)盡量減少地平面被斷開(kāi)的次數(shù)。電流返回路徑不應(yīng)縮短，因?yàn)檫@些走線會(huì)限制從器件到電源接插件的電流流動(dòng).AD轉(zhuǎn)換器輸出碼要密集得多，而電路的噪聲碼寬度僅為11個(gè)碼，而在沒(méi)有地平面或電源平面的電路的噪聲碼寬度要為15個(gè)碼，其AD轉(zhuǎn)換器輸出碼不太要密集。 從上述數(shù)據(jù)很容易看出，地平面確實(shí)對(duì)電路噪聲有抑制作用。當(dāng)電路中沒(méi)有地平面時(shí)，噪聲的寬度大約為15個(gè)碼；添加了地平面后，性能提高了約1.5倍或15/11倍。測(cè)試是在電磁干擾較低的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。 A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字碼的噪聲可歸因于運(yùn)放的噪聲和缺少抗信號(hào)混疊濾波器。如果電路中

17、有“最少”量的數(shù)字電路，可能只需要一個(gè)地平面和一個(gè)電源平面就可以了。 需要注意的是，將數(shù)字和模擬地平面連接在一起的危險(xiǎn)在于模擬電路會(huì)從電源引腳引入噪聲，并將噪聲耦合到信號(hào)路徑中。在電路的一點(diǎn)或多點(diǎn)上，要將模擬電路和數(shù)字電路的地和電源連接在一起，以確保所有器件的電源、輸入和輸出共地，其標(biāo)稱值不會(huì)被破壞。 在12位系統(tǒng)中，電源平面并不象地平面那么重要。盡管電源平面可以解決許多問(wèn)題，使電源線比電路板上其他走線寬兩倍或三倍，以及有效使用旁路電容，都可以降低電源的噪聲。 *信號(hào)線 電路板(包括數(shù)字和模擬電路)上的信號(hào)線要盡量短。這個(gè)基本準(zhǔn)則將降低無(wú)關(guān)信號(hào)耦合到信號(hào)

18、路徑的可能性。尤其要注意的是模擬器件的輸入端，這些輸入端通常比輸出引腳或電源引腳具有更高的阻抗。例如，AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間是最為敏感的。對(duì)于圖7中的12位轉(zhuǎn)換器，輸入引腳(IN+和IN-)對(duì)引入的噪聲也很敏感。運(yùn)放的輸入端也有可能在信號(hào)路徑中引入噪聲。這些端通常具有的輸入阻抗。 高阻抗輸入端對(duì)于輸入電流比較敏感。如果從高阻抗輸入端引出的走線靠近有快速變化電壓的走線(如數(shù)字或時(shí)鐘信號(hào)線)，就會(huì)發(fā)生這種情況，此時(shí)電荷通過(guò)寄生電容耦合到高阻抗走線中。這兩條走線之間的關(guān)系，與圖5所示類同。圖5中，兩條走線之間寄生電容C的值主要取決于走線之間的距離(d)，以及兩條走線保持

19、平行的長(zhǎng)度(L)，其寄生電容C公式與上述公式(1)相同，通過(guò)這個(gè)模型，高阻抗走線中產(chǎn)生的電流等于：I=C dVdt 其中： I 等于高阻抗走線上的電流 C 等于兩條PCB走線之間的電容值 dV等于有開(kāi)關(guān)動(dòng)作的走線上的電壓變化 dt等于電壓從一個(gè)電平變化到下一個(gè)電平所用的時(shí)間 1.2旁路電容和抗信號(hào)混疊濾波器的使用 盡管本文是關(guān)于布線的文章，但認(rèn)為討論一些電路設(shè)計(jì)的基本知識(shí)也是非常必要的。有關(guān)旁路電容的一個(gè)好原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設(shè)計(jì)電路時(shí)，沒(méi)有加旁路電容，電源噪聲很可能使電路的精度達(dá)不到12位。 *旁路電容 可在電路板上的如下兩個(gè)位置放置

20、旁路電容：一個(gè)電容(12µF至I00µF)放置在電源側(cè);一個(gè)電容放置在每個(gè)有源器件(包括數(shù)字和模擬器件)旁邊。加在器件上旁路電容的值取決于使用的器件。如果器件的帶寬小于或大約等子1MHz，那么采用lµF的電容可以顯著降低引入的噪聲。如果器件的帶寬約大于10MHz，則用0.1µF 的電容可能比較合適。如果帶寬在這兩個(gè)頻率之間，可同時(shí)使用這兩種容值的電容，或使用其一。(或請(qǐng)參考廠商的使用指南)。 電路板上的每個(gè)有源器件都需要一個(gè)旁路電容。旁路電容必須盡可能靠近器件的電源引腳放置，如圖8所示。如果一個(gè)器件使用了兩個(gè)旁路電容，容值小的電容要最靠近器件引腳。而且，旁路電容的引腳要盡量短。 *抗信號(hào)混疊濾波器 可能注意到，圖7所示的電路中沒(méi)有抗信號(hào)混疊濾波器。正如數(shù)