电路板布线设计(二)模拟与数字布线技术差异之探索

数字设计电路布局要达到良好的效果，仔细布线是完成电路板设计的重要关键。数字与模拟布线的作法有相似处，本文将?述这两种布线方式的比较，另外讨论旁路电容、电源供应及接地布线、电压误差，以及因电路板布线引起的电磁干扰。

从事数字设计与数字布线专家的人数之增加反映出一趋势──工业处于领先地位。虽然数字设计是电子终端产品进步的指针，但数字电路仍需要接口至模拟电路或真实世界。这两种电路间的布线方式虽有类似的部分，但要达到良好结果时，即使在一个简单的电路布线设计中存在小差异，都将导致无法达到最佳效果。本文中将探讨模拟与数字布线间的基本异同，有关旁路电容、电源供应以及接地布线、电压误差，以及因电路板布线造成的电磁干扰（EMI）。
 　 
模拟与数字布线工作之相似处

旁路或反交连电容

就布线而言，模拟组件与数字组件皆需要此类电容。通常这两种电路都需要一个0.1uF的电容，而且该电容需置于靠近电源接脚端；第二类为常用于系统中之电源供应器的电容，其值通常大约是10uF。

电容位置如(图一)所示。电容值各有不同，可能高十倍亦或低十倍，但都必需尽量缩短线长且靠近组件（0.1uF 电容）或电源供应器（10uF 电容）。
 
(图一)模拟与数字电路板设计中，旁路或反交连电容（0.1uF）应尽可能靠近组件
＜电源供应反交连电容（10uF）应置于电源走线进入电路板的位置。任何情况下，这些电容的走线要越短越好。＞

旁路或反交连电容以及在电路板上之配置，对此两种电路设计而言皆为常识，但基于不同的理由，在模拟电路设计中，通常用于电源供应上之旁路电容，将使高频信号转向；否则高频信号将透过电源接脚，而进入敏感的模拟芯片。一般而言，这些高频讯号之频率会发生于模拟组件有能力抑制之频率以上。在模拟电路中不使用旁路电容可能会发生后果为导致过度的噪声进到讯号路径中，甚至引起振荡。

对数字组件，如控制器与处理器而言，反交连电容为必要的，但理由不同。这些电容的功能之一是当作「微型」电荷储存库。通常在数字电路中，闸极状态切换时会消耗大量的电流。因为在芯片上发生切换动作时，瞬时电流会通过芯片及整个电路板，故使用额外的充电来补充供应其所需是有帮助的。没有本地足够的充电以供执行转换动作所需之电流的后果──可能导致电源供应电压明显的变动。当电压变动过大时，会导致数字信号位准进入不确定状态；甚至导致数字组件内的状态机器运作不正确。切换电流通过电路板走线时，将导致电压的变动。电路板走线含有寄生电感，且电压的变化值可使用下列公式来计算：

V＝LI / t

在此V电压变化值

L＝电路板的走线电感
I＝通过走线的电流变化
t＝电流变化经过的时间

因此，基于多种理由，接上旁路（或反交连）电容到电源供应与主动组件的电源接脚上为好的作法。

电源与接地走线相互搭配

当电源位置与接地线位置完全匹配时，电磁干扰的机会就会减少。如果电源与接地未完全匹配，系统回路会被设计到布线内，而且将可能会发生「吵杂」现象。电源与接地线不匹配的电路板设计，如(图二)所示。
 
(图二)电路板上组件之电源与接地线使用不同的走线布置
＜不匹配状况将使电路板的电路可能产生电磁干扰＞

设计电路板内的回路面积为697cm2。使用(图三)所示的方法后，因幅射噪声而形成回路中感应电压的机会大为降低。
 
(图三)　在单层板中，电源线与接地线在通往电路板上组件途中为彼此相近

其匹配性较图二为佳，因此发生电磁干扰的机率减少为 679/12.8 或 ～54ｘ。

单元上的差异

接地面可能造成的问题

适用模拟电路以及数字电路板布线的基本考虑，基本法则为使用连续接地面。此惯例降低了数字电路中的 I/t 影响（电流随时间造成的变化），因而降低接地噪声及其它噪声进入模拟电路中的可能性。数字与模拟电路的布线技术在本质上相同，但有一例外是──让数字讯号线及接地面的返回路径，尽可能远离模拟电路。进行方式可藉由将模拟接地面单独连接到系统接地，或是将模拟电路放置在电路板最远处，例如线的末端，该作法是使外部的干扰源减到最小。对数字电路而言刚好相反，数字电路可容许接地面上较大量的噪声而不至于发生问题。

零件的位置

如上述，在每一电路板设计中，电路吵杂与安静的部份应分开。一般而言，数字电路是有「很多」噪声的且对这类噪声的敏感度较低（因耐噪声度较大）。相较之下，模拟电路的耐噪声度就小得多。比较这两种不同的电路，模拟电路对切换噪声最为敏感。在混合讯号系统的布线中，应将两种电路彼此分开，如(图四)。
　
(图四)　(a)将电路的数字与模拟部份彼此分开，以降低数字切换动作影响到模拟电路；(b)高频应与低频分开，让高频组件较接近电路板连接器

随布线进入电路板的寄生零件

两种基本的寄生零件可随布线进入电路板内而产生问题──电容与电感。只要两条走线相互靠近，在电路板内即产生一个电容；如(图五)所示，将两走线在上下两层重迭或相邻放在同一层上。在这两种走线结构中，在一条走在线因时间产生的电压变化（I/t）可在另一条走在线产生感应电流。假若第二条走线是高阻抗的，因电场而产生的电流将转换成电压。

 
 (图五)　线与线太靠近，容易在电路板中产生寄生电容
＜在其中一条走在线的快速电压变化，便会在另一条走在线感应出电流＞

在混合讯号系统中，常发现数字电路发生快速电压变化的情形。如果让快速电压变化的走线靠近高阻抗模拟走线，便会破坏模拟电路系统的准确性。所以，在混合讯号系统这个环境内，必须留意是：耐噪声度较数字电路为低，另一为不要有高阻抗走线。

使用下面两种技术的任何一种，即可轻易地使这种现象降到最低。最常使用的技术是，依电容方程式的建议来变更走线间的相关尺寸。最有效的方法：引起问题的走线间的间距。要注意变量「d」是在电容方程式的分母中，当「d」增加时，电容量会减少。另一个可以改变的变量则是两条走线的长度，如果长度（「L」）减少，则两条走线间的电容量也会减少。

另一种技术是在两条走线间配置一个接地线。接地线不只是低阻抗，像这样一条额外的走线也会瓦解易导致干扰的电场，如(图五)所示。

在电路板中产生电感的结构与电容类似，如(图六)所示，将两条走线在上下层重迭或相邻放在同一层。在这两种走线结构中，一条走在线随时间改变的电流（I/t）会因为走线本身的电感而在在线产生电压，并因互感而在另一走在线感应一定比例的电流。如果主要走在线的电压变化量够大的话，会引起干扰并导致数字电路的耐噪声度降低，甚至造成误动作。该现象不是数字电路专有，但因为在数字的环境内，较常发生瞬间切换的大电流。
  
 (图六)　若不注意走线的配置，在电路板中的走线会形成线电感与互感
＜此种寄生组件对含数字切换电路的运作会造成伤害＞

要消除电磁干扰源的潜在噪声，最好的方式是将安静的模拟走线与吵杂的输入/输出埠隔开。想办法降低电源与接地网络的阻抗，让数字电路走线铜箔中的电感与模拟电路中电容耦合量降到最小。
 
结论

当设计中同时存在模拟与数字电路时，仔细布线是完成电路板设计成功的关键。布线方式通常作为遵守的原则，否则在实验室的环境中，很难去测试产品的成功与否。因此，一般而言，虽然数字与模拟单元的布线方式有相似处，但仍应认识其差异处并加以遵守。（本文原载于零组件杂志第148期；作者任职于Microchip Technology）

参考数据

[1] Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd ed., Wiley, 1998.
[2] Ralph Morrison, Noise and Other Interfering Signals, Wiley and Sons, 1992.