PCB新聞 - 類比電路和數位電路的PCB設計差异

讓我們分享一下類比電路和數位電路的PCB設計佈線策略之間的相似之處。

1.旁路或去耦電容器

對於佈線、模擬器和數位設備，需要這些類型的電容器，每個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，通常在10華氏度左右。 電容值的範圍是推薦值的1/10到10倍。 但是，引脚應該很短，並且靠近設備（對於0.1華氏度的電容器）或電源（對於10華氏度電容器）。 在電路板上添加旁路或去耦電容器，並將這些電容器放置在電路板上將是數位和類比設計中的常識。 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繞過電源上的高頻訊號。 如果不添加旁路電容器，這些訊號可能會通過電源引脚進入敏感的類比晶片。 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。 如果類比電路中不使用旁路電容器，雜訊可能會引入訊號路徑，在更糟糕的情况下，可能會導致振動。

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“迷你”充電組。 在數位電路中，通常需要大電流來切換柵極狀態。 由於開關瞬態電流是在晶片上產生的，囙此當它切換並流過電路板時，有一個額外的“待機”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，電源電壓將發生顯著變化。

如果電壓變化太大，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運行不正確。 流過電路板佈線的開關電流會引起電壓變化，電路板佈線中存在寄生電感。可以使用以下公式計算電壓變化：V=LdI/dt，其中five=電壓變化； I=電路板接線電抗； Di=流經線路的電流變化； 深度是電流變化的時間。

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。 電源和接地電纜應放在一起，以减少電磁干擾的可能性。 如果電源線和地線不正確匹配，將設計一個系統回路，這可能會產生雜訊。 在這個電路板上，使用圖3，回路面積為697平方釐米。使用所示的方法，電路板上或外部的輻射雜訊不太可能在電路中感應出電壓。

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和數位電路。 一個基本的經驗法則是使用一個完整的接地平面。 這種常識减少了數位電路中數據記錄/資料傳輸（電流隨時間變化）的影響，這可能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，只有細微差別。 對於類比電路，重要的是保持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的外部干擾降至最低。 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接地平面中的大量雜訊。

如上所述，在每個PCB設計中，電路的雜訊部分與“安靜”（無雜訊）部分分開。 一般來說，數位電路雜訊“豐富”，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，類比電路的電壓雜訊容限要低得多。 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.PCB設計產生的寄生元件

有兩種基本的寄生元件很容易在PCB設計中引起問題：寄生電容和寄生電感。 在設計電路板時，將兩根電線靠得很近會產生寄生電容。 這可以通過在兩個不同樓層的另一條線上放置一條線來實現，也可以通過在同一樓層的另一線旁邊放置一條線上來實現。 在兩種佈線配寘中，一條線上的電壓隨時間的變化（dV/dt）會在另一條線上產生電流。 如果另一條線是高阻抗線，電場產生的電流將被轉換為電壓。 快速電壓瞬變最常發生在類比信號設計的數位側。 如果在高阻抗類比電路附近發生快速電壓瞬變，這種誤差將嚴重影響類比電路的精度。

在這種環境下，類比電路有兩個缺點：它們的雜訊容限遠低於數位電路； 高阻抗接線很常見。 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的尺寸。 更改最有效的尺寸是兩條線之間的距離。

應當注意，電容方程分母中的變數D隨著D的新增而减小。另一個可以改變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地線。 接地線阻抗低，新增這樣的額外電線會削弱

3.產生干擾的電場

電路板中的寄生電感原理與寄生電容原理相似。 還要安排兩條線，一條線放在另一條線上，分為兩層； 或者將一條線放在同一層上的另一條線上，如圖6所示。在這兩種佈線配寘中，由於佈線的電感電抗，一條佈線的電流隨時間的變化（dI/dt）將在同一條佈線上產生電壓； 由於互感，另一條線路將產生成比例的電流。

如果第一條線上的電壓變化足够大，干擾會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所獨有，但在具有大暫態開關電流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”的類比線路與嘈雜的輸入/輸出埠分開。

為了實現低阻抗的電源和接地網絡，應儘量減少數位電路導體的電感性電抗，並儘量減少類比電路的電容耦合。

一旦確定了數位和類比範圍，仔細佈線對於實現PCB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在佈線策略上存在相似之處，但應認識到並認真對待這些差异。