模擬電路和數(shù)字電路在PCB設(shè)計中的區(qū)別詳解

工程領(lǐng)域中的數(shù)字設(shè)計人員和數(shù)字電路板設(shè)計專家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢。盡管對數(shù)字設(shè)計的重視帶來了電子產(chǎn)品的重大發(fā)展，但仍然存在，而且還會一直存在一部分與模擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口的電路設(shè)計。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，由于其布線策略不同，簡單電路布線設(shè)計就不再是最優(yōu)方案了。

本文就旁路電容、電源、地線設(shè)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(shù)字布線的基本相似之處及差別。在布線時，模擬器件和數(shù)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0．1uF。系統(tǒng)供電電源側(cè)需要另一類電容，通常此電容值大約為10uF。

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0．1uF電容）或供電電源（對于10uF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(shù)字和模擬設(shè)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(shè)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(jìn)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(yán)重的情況甚至?xí)鹫駝印?/p>

在模擬和數(shù)字PCB設(shè)計中，旁路或去耦電容（0．1uF）應(yīng)盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容（10uF）應(yīng)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(yīng)較短。

在圖2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(dāng)?shù)呐浜?，電路板的電子元器件和線路受電磁干擾的可能性比較大。

在圖3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)。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(shù)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(shù)字電路中，執(zhí)行門狀態(tài)的切換通常需要很大的電流。由于開關(guān)時芯片上產(chǎn)生開關(guān)瞬態(tài)電流并流經(jīng)電路板，有額外的“備用”電荷是有利的。如果執(zhí)行開關(guān)動作時沒有足夠的電荷，會造成電源電壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會導(dǎo)致數(shù)字信號電平進(jìn)入不確定狀態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài)機(jī)錯誤運(yùn)行。

流經(jīng)電路板走線的開關(guān)電流將引起電壓發(fā)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(jīng)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(dāng)，會設(shè)計出系統(tǒng)環(huán)路，并很可能會產(chǎn)生噪聲。電源線和地線配合不當(dāng)?shù)腜CB設(shè)計示例如圖2所示，此電路板上，設(shè)計出的環(huán)路面積為697cm?。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)電壓的可能性可大為降低。

電路板布線的基本知識既適用于模擬電路，也適用于數(shù)字電路。一個基本的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是使用不間斷的地平面，這一常識降低了數(shù)字電路中的dI／dt（電流隨時間的變化）效應(yīng)，這一效應(yīng)會改變地的電勢并會使噪聲進(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。對于模擬電路，還有另外一點(diǎn)需要注意，就是要將數(shù)字信號線和地平面中的回路盡量遠(yuǎn)離模擬電路。這一點(diǎn)可以通過如下做法來實(shí)現(xiàn)：將模擬地平面單獨(dú)連接到系統(tǒng)的連接端，或者將模擬電路放