布線(xiàn)需要考慮的問(wèn)題很多，但是zui基本的的還是要做到周密，謹慎。

寄生元件危害zui大的情況

印刷電路板布線(xiàn)產(chǎn)生的主要寄生元件包括：寄生電阻、寄生電容和寄生電感。例如：PCB的寄生電阻由元件之間的走線(xiàn)形成；電路板上的走線(xiàn)、焊盤(pán)和平行走線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生寄生電容；寄生電感的產(chǎn)生途徑包括環(huán)路電感、互感和過(guò)孔。當將電路原理圖轉化為實(shí)際的PCB時(shí)，所有這些寄生元件都可能對電路的有效性產(chǎn)生干擾。本文將對zui棘手的電路板寄生元件類(lèi)型 — 寄生電容進(jìn)行量化，并提供一個(gè)可清楚看到寄生電容對電路性能影響的示例。

圖1 在PCB上布兩條靠近的走線(xiàn)，很容易產(chǎn)生寄生電容。由于這種寄生電容的存在，在一條走線(xiàn)上的快速電壓變化會(huì )在另一條走線(xiàn)上產(chǎn)生電流信號。

圖2 用三個(gè)8位數字電位器和三個(gè)放大器提供65536個(gè)差分輸出電壓，組成一個(gè)16位D/A轉換器。如果系統中的VDD為5V，那么此D/A轉換器的分辨率或LSB大小為76.3mV。

圖3 這是對圖2所示電路的第 一次布線(xiàn)嘗試。此配置在模擬線(xiàn)路上產(chǎn)生不規律的噪聲，這是因為在特定數字走線(xiàn)上的數據輸入碼隨著(zhù)數字電位器的編程需求而改變。

寄生電容的危害

大多數寄生電容都是靠近放置兩條平行走線(xiàn)引起的?？梢圆捎脠D1所示的公式來(lái)計算這種電容值。

在混合信號電路中，如果敏感的高阻抗模擬走線(xiàn)與數字走線(xiàn)距離較近，這種電容會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。例如，圖2中的電路就很可能存在這種問(wèn)題。

為講解圖2所示電路的工作原理，采用三個(gè)8位數字電位器和三個(gè)CMOS運算放大器組成一個(gè)16位D/A轉換器。在此圖的左側，在VDD和地之間跨接了兩個(gè)數字電位器(U3a和U3b)，其抽頭輸出連接到兩個(gè)運放(U4a和U4b)的正相輸入端。數字電位器U2和U3通過(guò)與單片機(U1)之間的SPI接口編程。在此配置中，每個(gè)數字電位器配置為8位乘法型D/A轉換器。如果VDD為5V，那么這些D/A轉換器的LSB大小等于19.61mV。

這兩個(gè)數字電位器的抽頭都分別連接到兩個(gè)配置了緩沖器的運放的正相輸入端。在此配置中，運放的輸入端是高阻抗的，將數字電位器與電路其它部分隔離開(kāi)了。這兩個(gè)放大器配置為其輸出擺幅限制不會(huì )超出第 二級放大器的輸入范圍。

圖 4 在此示波器照片中，zui上面的波形取自JP1(到數字電位器的數字碼)，第 二個(gè)波形取自JP5(相鄰模擬走線(xiàn)上的噪聲)，zui下面的波形取自TP10(16位D/A轉換器輸出端的噪聲)。

圖5 采用這種新的布線(xiàn)，將模擬線(xiàn)路和數字線(xiàn)路隔離開(kāi)了。增大走線(xiàn)之間的距離，基本消除了在前面布線(xiàn)中造成干擾的數字噪聲。

圖 6 圖中示出了采用新布線(xiàn)的16位D/A轉換器的單個(gè)碼轉換結果，對數字電位器編程的數字信號沒(méi)有造成數字噪聲。

為使此電路具有16位D/A轉換器的性能，采用第三個(gè)數字電位器(U2a)跨接在兩個(gè)運放(U4a和U4b)的輸出端之間。U3a和U3b的編程設定經(jīng)數字電位器后的電壓值。如果VDD為5V，可以將U3a和U3b的輸出編程為相差19.61mV。此電壓大小經(jīng)第三個(gè)8位數字電位器R3，則自左至右整個(gè)電路的LSB大小為76.3mV。此電路獲得zui優(yōu)性能所需的嚴格器件規格如表1所示。

此電路有兩種基本工作模式。第 一種模式可用于獲得可編程、可調節的直流差分電壓。在此模式中，電路的數字部分只是偶爾使用，在正常工作時(shí)不使用。第 二種模式是可以將此電路用作任意波形發(fā)生器。在此模式中，電路的數字部分是電路運行的必需部分。此模式中可能發(fā)生電容耦合的危險。

圖2所示電路的第 一次布線(xiàn)如圖3所示。此電路是在實(shí)驗室中快速設計出的，沒(méi)有注意細節。在檢查布線(xiàn)時(shí)，發(fā)現將數字走線(xiàn)布在了高阻抗模擬線(xiàn)路的旁邊。需要強調的是，第 一次就應該正確布線(xiàn)，本文的目的是為了講解如何識別問(wèn)題及如何對布線(xiàn)做重大改進(jìn)。

看一下此布線(xiàn)中不同的走線(xiàn)，可以明顯看到哪里可能存在問(wèn)題。圖中的模擬走線(xiàn)從U3a的抽頭連接到U4a放大器的高阻抗輸入端。圖中的數字走線(xiàn)傳送對數字電位器設置進(jìn)行編程的數字碼。

在測試板上經(jīng)過(guò)測量，發(fā)現數字走線(xiàn)中的數字信號耦合到了敏感的模擬走線(xiàn)中，參見(jiàn)圖4。

系統中對數字電位器編程的數字信號沿著(zhù)走線(xiàn)逐漸傳輸到輸出直流電壓的模擬線(xiàn)路。此噪聲通過(guò)電路的模擬部分一直傳播到第三個(gè)數字電位器(U5a)。第三個(gè)數字電位器在兩個(gè)輸出狀態(tài)之間翻轉。解決這個(gè)問(wèn)題的方法主要是分隔開(kāi)走線(xiàn)，圖5示出了改進(jìn)的布線(xiàn)方案。

改變布線(xiàn)的結果如圖6所示。將模擬和數字走線(xiàn)仔細分開(kāi)后，電路成為非?！案蓛簟钡?6位D/A轉換器。圖中的波形是第三個(gè)數字電位器的單碼轉換結果76.29mV。

結語(yǔ)

數字和模擬范圍確定后，謹慎布線(xiàn)對獲得成功的PCB是至關(guān)重要的。尤其是有源數字走線(xiàn)靠近高阻抗模擬走線(xiàn)時(shí)，會(huì )引起嚴重的耦合噪聲，這只能通過(guò)增加走線(xiàn)之間的距離來(lái)避免。