模擬和數字領域的布線策略有一些類似之處，但要獲得更好的結果時，若采用的布線策略不同，即仍舊是用簡單電路布線設計，則不再是最優或最佳方案了。為此，本文就旁路電容、電源、地線設計、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMl)等幾個方面，就模擬和數宇布線的基本相似之處與差別及以12位傳感系統為例說明的布局竅門進行討論與分析。為此，先述模擬和數字布線要領的相似之處。

　　一、模擬和數字布線要領的相似

　　1、旁路或去耦電容

　　在布線時，模擬器件和數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旁路電容，此電容值通常為0.1μF。系統供電電源則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)。

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　　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，對于數字和模擬設計來說都屬于基本常識，但其功能卻是有區別的。

　　在模擬布線設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，更嚴重的情況甚至會引起振動。

　　而對于控制器和處理器這樣的數字器件來說，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，這是因為在數字電路中，執行門狀態的切換(即開關切換)通常需要很大的電流，當開關時芯片上產生開關瞬態電流并流經電路板，有這額外的“備用”電荷是有利的。如果執行開關動作時沒有足夠的電荷，會造成電源電壓發生很大變化。電壓變化太大，會導致數字信號電平進入不確定狀態，并很可能引起數字器件中的狀態機錯誤運行。流經電路板走線的開關電流將引起電壓發生變化，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，會設計出系統環路，并很可能會產生噪聲。電源線和地線配合不當的PCB設計示例如圖2所示。在此電路板上，使用不同的路線來布電源線和地線，由于這種不恰當的配合，電路板的電子元器件和線路受電磁干擾(EMI)的可能性比較大。

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　　此電路板上，設計出的環路面積為697平方米。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路中感應電壓的可能性會大大降低。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，其設計出的環路面積為12.8平方米。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、模擬和數字領域布線要領的不同之處

　　1、地平面可能是個難題

　　電路板布線的基本知識既適用于模擬電路，也適用于數字電路。一個基本的經驗準則是使用不間斷的地平面，這一基本準則可降低了數字電路中的dI/dt(電流隨時間的變化)效應，因為dI/dt效應會造成地的電勢并使噪聲進入模擬電路。

　　數字和模擬電路的布線技巧基本相同，但有一點除外。對于模擬電路，還要另外一點需要注意，就是要將數字信號線和地平面中的回路盡量遠離模擬電路。這一點可以通過如下做法來實現：將模擬地平面單獨連接到系統地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠端，也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號路徑所受到的外部干擾最小。對于數字電路就不需要這樣做，數字電路可容忍地平面上的大量噪聲，而不會出現問題。

　　2、元件的位置

　　如上所述，在每個PCB設計中，電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開。一般來說，數字電路“可含”噪聲，而且對噪聲不敏感(因為數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，模擬電路對開關噪聲最為敏感。在混合信號系統的布線中，這兩種電路要分隔開，如圖4所示，其4(a)將電路的數字和模擬部分分隔開， 數字電路應靠近接扦件和電源位置;其4(b)盡可能將高頻和低頻分開，其高頻元件應放置在接扦件和電源附近。

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　　3、PCB設計產生的寄生電容和寄生電感

　　PCB設計中可能會產生的問題是， 寄生電容和寄生電感很容易形成。

　　寄生電容的產生與減少

　　設計電路板時，放置兩條彼此靠近的走線就會產生寄生電容，這是用了以下走線方法所產生的，見圖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。

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　　在這兩種走線配置中，一條走線上電壓隨時間的變化(dV/dt)可能在另一條走線上產生電流。如果另一條走線是高阻抗的，電場產生的電流將轉化為電壓。

　　快速電壓瞬變最常發生在模擬信號設計的數字側。如果發生快速電壓瞬變的走線靠近高阻抗模擬走線，這種誤差將嚴重影響模擬電路的精度。在這種環境中，模擬電路有兩個不利的方面：其噪聲容限比數字電路低得多;高阻抗走線比較常見。那采用何種技術可以減少這種現象呢?

　　采用下述兩種技術之一可以減少這種現象。最常用的技術是根據如下的電容公式，

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　　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。應該注意，變量“d”在電容方程的分母中，“d”增加，容抗會降低。可改變的另一個變量是兩條走線的長度。在這種情況下，長度“L”減小，兩條走線之間的容抗也會降低。

　　另一種技術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生干擾的電場，如圖5所示。

　　寄生電感產生與降低

　　電路板中寄生電感產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間的變化(dI/dt)，由于這條走線的感抗，會在同一條走線上產生電壓，并由于互感的存在，會在另一條走線上產生成比例的電流。如果在第一條走線上的電壓變化足夠大，干擾可能會降低數字電路的電壓容限而產生誤差。并不只是在數字電路中才會發生這種現象，但這種現象在數字電路中比較常見，因為數字電路中存在較大的瞬時開關電流。

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　　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。要設法實現低阻抗的電源和地網絡，應盡量減小數字電路導線的感抗，盡量降低模擬電路的電容耦合。

　　三、12位傳感系統為例的布局竅門

　　12位傳感系統簡介布局竅門以12位傳感系統的良好布線方法作為應用舉例，其目的為了討論概念和原理，而不是為了將某個布線推薦為唯一可用的方案。

　　其應用電路是一負載單元電路，該電路可精確測量傳感器上施加的重量，然后將結果顯示在LCD顯示屏。系統電路原理圖如圖7所示。這兒采用的負載單元是Omega公司的LCL-816G橋式壓力傳感器。

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　　LCL-816G傳感器模型是由四個電阻元件組成的橋，需電壓激勵。將5V激勵電壓加在傳感器高端，施加32盎司(重量單位)最大信號時，滿刻度輸出擺幅為+/-10mV差分信號。該小差分信號被雙運放儀表放大器(MCP6021)放大。根據電路精度要求，選了一個12位A/D轉換器。當轉換器將輸入端的電壓進行數字化后，數字碼經轉換器SPI(串行外設端口發送到單片機。然后，單片機用軟件查表法表將來自A/D轉換器的數字信號轉換為重量。此時如需要的話，線性化和標定工作可由單片機(控制器)代碼實現。完成這一步后，結果送到LCD顯示器。最后一步是為控制器軟件固化。電路設計好后，下面即可設計印刷電路板和布線了。

　　3.1 關于設計印刷電路板和布線

　　需要說明的是， 若使用自動布線工具，則經常要返回來對布線做很大的修改。如果自動布線工具可以實現布線限制，可能還有成功的可能性。但如果自動布線工具沒有限制選項的話，為此，最好的方法是不要使用自動布線工具，為此采用手工布線。

　　3.1.1 布線的一般準則

　　* 器件布局

　　既然是采用手工布線，那么第一個步驟是在板上放置器件。這個關鍵步驟應該做的比較好，因為可將噪聲敏感器件和產生噪聲器件分開放置。完成這個任務有兩個準則：

　　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子類：純數字、純模擬和混合信號。電路板的布線要符合要領：器件布局圖應注意高速器件、低速器件與電路板的接插件和電源之間的關系;數字器件最靠近電路板的接插件和電源，與其他數字和模擬電路分離開了，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;純模擬器件距離數字器件最遠，以確保開關噪聲不會耦合到模擬信號路徑中。

　　* 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。實現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的，尤其是在模擬和混合信號設計中。這是何因呢?其一，因為模擬信號是以地為基準的，地噪聲問題比電源噪聲問題更難應對。例如，在圖7所示電路中，A/D轉換器(MCP3201)的反相輸入引腳是接地的;其二，地平面還對噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問題，如圖8所示的布線在底層添加了地平面。地平面(圖8b)有幾處被信號線打斷，應盡量減少地平面被斷開的次數。電流返回路徑不應縮短，因為這些走線會限制從器件到電源接插件的電流流動。A/D轉換器輸出碼要密集得多，而電路的噪聲碼寬度僅為11個碼，而在沒有地平面或電源平面的電路的噪聲碼寬度要為15個碼，其A/D轉換器輸出碼不太要密集。

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　　從上述數據很容易看出，地平面確實對電路噪聲有抑制作用。當電路中沒有地平面時，噪聲的寬度大約為15個碼;添加了地平面后，性能提高了約1.5倍或15/11倍。測試是在電磁干擾較低的實驗室中進行的。

　　A/D轉換器輸出數字碼的噪聲可歸因于運放的噪聲和缺少抗信號混疊濾波器。如果電路中有“最少”量的數字電路，可能只需要一個地平面和一個電源平面就可以了。

　　需要注意的是，將數字和模擬地平面連接在一起的危險在于模擬電路會從電源引腳引入噪聲，并將噪聲耦合到信號路徑中。在電路的一點或多點上，要將模擬電路和數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，其標稱值不會被破壞。

　　在12位系統中，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。

　　* 信號線

　　電路板(包括數字和模擬電路)上的信號線要盡量短。這個基本準則將降低無關信號耦合到信號路徑的可能性。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，A/D轉換器的參考電壓輸入引腳在進行轉換期間是最為敏感的。對于圖7中的12位轉換器，輸入引腳(IN+和IN-)對引入的噪聲也很敏感。運放的輸入端也有可能在信號路徑中引入噪聲。這些端通常具有109至1013的輸入阻抗。

　　高阻抗輸入端對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(如數字或時鐘信號線)，就會發生這種情況，此時電荷通過寄生電容耦合到高阻抗走線中。這兩條走線之間的關系，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)，以及兩條走線保持平行的長度(L)，其寄生電容C公式與上述公式(1)相同，通過這個模型，高阻抗走線中產生的電流等于：

　　I=C dV/dt

　　其中：

　　I=高阻抗走線上的電流

　　C=兩條PCB走線之間的電容值

　　dV=有開關動作的走線上的電壓變化

　　dt=電壓從一個電平變化到下一個電平所用的時間

　　3.1.2 旁路電容和抗信號混疊濾波器的使用

　　盡管本文是關于布線的文章，但認為討論一些電路設計的基本知識也是非常必要的。有關旁路電容的一個好原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設計電路時，沒有加旁路電容，電源噪聲很可能使電路的精度達不到12位。

　　* 旁路電容

　　可在電路板上的如下兩個位置放置旁路電容：一個電容(12μF至I00μF)放置在電源側;一個電容放置在每個有源器件(包括數字和模擬器件)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。如果帶寬在這兩個頻率之間，可同時使用這兩種容值的電容，或使用其一。(或請參考廠商的使用指南)。

　　電路板上的每個有源器件都需要一個旁路電容。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。如果一個器件使用了兩個旁路電容，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。

　　* 抗信號混疊濾波器

　　可能注意到，圖7所示的電路中沒有抗信號混疊濾波器。正如數據所顯示，這一疏忽在電路中引起了噪聲問題。此電路板中，當在儀表放大器的輸出和A/D轉換器的輸入之間接入一個四階、10Hz抗信號混疊濾波器時，轉換響應的性能大為提高。

　　模擬濾波可在模擬信號到達A/D轉換器之前，消除疊加在模擬信號上的噪聲，尤其是無關的噪聲尖峰。模數轉換器將對出現在其輸入端的信號進行轉換，這種信號可能包括傳感器電壓信號或噪聲，抗信號混疊濾波器消除了轉換過程中的高頻噪聲。

　　3.2 12位布線技巧歸納-PCB設計檢查表

　　只要遵循如下幾個準則，良好的12位布線技巧并不難掌握：

　　*檢查器件相對于接插件的位置，確保高速器件和數字器件最靠近接插件。

　　*電路中至少要有一個地平面。

　　*使電源線比板上的其他走線寬。

　　*檢查電流回路，尋找地線中的可能噪聲源。這可通過確定地平面上所有點的電流密度和可能存在的噪聲量來實現。

　　*正確旁路所有器件，將電容盡量靠近器件的電源引腳放置。

　　*使所有走線都盡量短。

　　*查看所有的高阻抗走線，逐條走線查找可能的電容耦合問題。

　　*確保對混合信號電路中的信號正確濾波。

　　四、結論

　　數字和模擬范圍確定后，謹慎布線對獲得成功的PCB是至關重要的。布線要領通常作為經驗準則作介紹，因為很難在實驗室環境中測試出產品的最終成功與否。因此，盡管數字和模擬電路的布線要領存在相似之處，但我們還是要認識到并認真對待其布線要領的差別。

　　尤其是有源數字走線靠近高阻抗模擬走線時，會引起嚴重的耦合噪聲，這只能通過增加走線之間的距離來避免。