鲁思慧

    摘要：本文对旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由PCB布线引起的电磁干扰(EMl)等几个方面问题，以及和模拟和数字布线的基本准则进行讨论与分析，并以12位传感系统为例对布局窍门的应用作说明。

关键词：模拟数字布局 电磁干扰(EMl) PCB设计 噪声容限 高阻抗

前言

    现代电子工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计人员在不断增加，这反映了行业的发展趋势。尽管对数字设计的发展与重视给电子产品带来了重大发展，但并不是说模拟电路设计重要可以大幅下降，相反仍然存在，而且还会一直存在着一部分数字电路与模拟或现实环境接口的电路设计。特别是模拟布局和数字布局技术是不能掉以轻心的，因为它直接关系到电子产品的质量，是电子产品工程化很关键的步骤，也是设计人员迫切希望了解资掌握的问题。

    应该说，模拟和数字领域的布线策略有一些类似之处，但要获得更好的结果时，若采用的布线策略不同，即仍旧是用简单电路布线设计，则不再是最优或最佳方案了。为此，本文就旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由PCB布线引起的电磁干扰(EMl)等几个方面，就模拟和数宇布线的基本相似之处与差别及以12位传感系统为例说明的布局窍门进行讨论与分析。为此，先述模拟和数字布线要领的相之处。

一、模拟和数字布线要领的相似。

1、 旁路或去耦电容

    在布线时，模拟器件和数宇器件都需要这些类型的电容，都需要靠近其电源引脚连接一个旁路电容，此电容值通常为0.1µF。系统供电电源侧需要另一类去耦电容，通常此电容值大约为10µF。

    这些电容的位置如图1所示。电容取值范围为推荐值的1/10至10倍之间。但引脚须较短，且要尽量靠近器件(为0.1µF 电容)或供电电源(为10µF电容)。

    在电路板上加旁路或去耦电容，以及这些电容在板上的布置，对于数字和模拟设计来说都属于基本常识，但其功能却是有区别的。

    在模拟布线设计中旁路电容通常用于旁路电源上的高频信号，如果不加旁路电容，这些高频信号可能通过电源引脚进入敏感的模拟芯片。一般来说，这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。如果在模拟电路中不使用旁路电容的话，就可能在信号路径上引入噪声，更严重的情况甚至会引起振动。

    而对于控制器和处理器这样的数字器件来说，同样需要去耦电容，但原因不同。这些电容的一个功能是用作“微型”电荷库，这是因为在数字电路中，执行门状态的切换(即开关切换)通常需要很大的电流，当开关时芯片上产生开关瞬态电流并流经电路板，有这额外的“备用”电荷是有利的。如果执行开关动作时没有足够的电荷，会造成电源电压发生很大变化。电压变化太大，会导致数字信号电平进入不确定状态，并很可能引起数字器件中的状态机错误运行。流经电路板走线的开关电流将引起电压发生变化，由于电路板走线存在寄生电感，则可采用如下公式计算电压的变化：

V=Ldl/dt

其中V=电压的变化

    L=电路板走线感抗

    dI=流经走线的电流变化

    dt=电流变化的时间

    因此，基于多种原因，在供电电源处或有源器件的电源引脚处施加旁路(或去耦)电容是非常好的做法。

2、电源线和地线要布在一起

    电源线和地线的位置良好配合，可以降低电磁干扰(EMl)的可能性。如果电源线和地线配合不当，会设计出系统环路，并很可能会产生噪声。电源线和地线配合不当的PCB设计示例如图2所示。在此电路板上，使用不同的路线来布电源线和地线，由于这种不恰当的配合，电路板的电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性比较大。

    此电路板上，设计出的环路面积为 。而采用图3所示的方法，电路板上或电路板外的辐射噪声在环路中感应电压的可能性会大大降低。在此单面板中，到电路板上器件的电源线和地线彼此靠近。此电路板中电源线和地线的配合比图2中恰当，其设计出的环路面积为 。电路板中电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或约54倍。

二、模拟和数字领域布线要领的不同之处

1、 地平面可能是个难题

    电路板布线的基本知识既适用于模拟电路，也适用于数字电路。一个基本的经验准则是使用不间断的地平面，这一基本准则可降低了数字电路中的dI／dt(电