本文从旁路电容、电源、接地设计、电压误差和PCB布线引起的电磁干扰等方面讨论了模拟和数字布线的基本异同。
工程领域的数字设计师和数字电路板设计专家越来越多，这反映了行业的发展趋势。虽然对数字设计的重视带来了电子产品的大发展，但它依然存在，总会有一些电路设计与模拟或真实环境对接。模拟和数字领域中的布线策略有一些相似之处，但是为了获得更好的结果，简单的电路布线设计由于其布线策略的不同而不再是最佳的解决方案。本文从旁路电容、电源、接地设计、电压误差和PCB布线引起的电磁干扰等方面讨论了模拟和数字布线的基本异同。
模拟和数字布线策略的相似之处
或者旁路电容器。
布线时，模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容，它们都需要在其电源引脚附近连接一个电容，通常为0.1uF。系统的电源侧需要另一种电容，通常约为10uF。
这些电容的位置如图1所示。电容值范围在推荐值的1/10到10倍之间。然而，引脚应该短，并尽可能靠近器件(对于0.1uF电容)或电源(对于10uF电容)。
在电路板上增加旁路或去耦电容以及这些电容在电路板上的位置是数字和模拟设计的常识。但有趣的是，原因各不相同。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。如果不增加旁路电容，这些高频信号可能会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过了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，可能会在信号路径中引入噪声，更严重的情况下甚至会引起振动。
图1在模拟和数字PCB设计中，旁路或去耦电容(0.1uF)应尽可能靠近器件放置。电源去耦电容(10uF)应放置在电路板电源线的入口处。在任何情况下，这些电容的引脚都应该很短。
图2在这块电路板上，电源线和地线采用不同的走线方式。由于这种不恰当的配合，电路板的电子元件和线路更容易受到电磁干扰。
图3在这个单板中，电路板上器件的电源线和接地线相互靠近。该电路板中电源线和地线的混合比例如图2所示。电路板中的电子元件和电路受到电磁干扰(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或大约54倍。
对于控制器、处理器等数字设备，同样需要去耦电容，但原因不同。这些电容器的一个功能是充当“微”电荷池。在数字电路中，通常需要大量电流来切换栅极状态。具有额外的“待机”电荷是有利的，因为开关瞬态电流在芯片上产生，并且在开关期间流经电路板。如果切换时没有足够的电荷，电源电压会发生很大的变化。如果电压变化过大，数字信号电平会进入不确定状态，很可能造成数字设备中状态机的误操作。流经电路板走线的开关电流会引起电压变化，电路板走线存在寄生电感。以下公式可用于计算电压变化：V=LdI/dt
其中V=电压的变化；L=电路板布线电感；DI=流过走线的电流变化；Dt=电流变化时间。
因此，出于多种原因，最好在电源处或有源器件的电源引脚处应用旁路(或去耦)电容。
电源线和地线要布在一起
电源线和地线的位置配合良好，可以降低电磁干扰的可能性。如果电源线和地线匹配不当，就会设计出系统环路，很可能会产生噪声。的例子
在这块电路板上，设计的回路面积为697cm2。利用图3所示的方法，可以大大降低回路中电路板上或电路板外的辐射噪声感应电压的可能性。
以及模拟和数字域布线策略之间的差异。
接地层是一个难题。
电路板布线的基本知识对模拟电路和数字电路都适用。一个基本的经验法则是使用不间断的接地层。这个常识降低了数字电路中的dI/dt(电流随时间变化)效应，这种效应会改变地电位，使噪声进入模拟电路。数字电路和模拟电路的布线技巧基本相同，只有一个例外。对于模拟电路，还有一点需要注意，就是数字信号线和地平面中的回路要尽量远离模拟电路。这可以通过将模拟接地层单独连接到系统接地连接端子，或将模拟电路放置在电路板的最远端，即线路末端来实现。这样做是为了将信号路径上的外部干扰降至最低。对于数字电路来说，这是不必要的，它可以承受接地层上的大量噪声，不会有任何问题。
图4(左)将数字开关动作与模拟电路隔离，并将电路的数字和模拟部分分开。(对)尽力而为。
图5 在PCB上布两条靠近的走线，很容易形成寄生电容。由于这种电容的存在，在一条走线上的快速电压变化，可在另一条走线上产生电流信号
图6 如果不注意走线的放置，PCB中的走线可能产生线路感抗和互感。这种寄生电感对于包含数字开关电路的电路运行是非常有害的
元件的位置
如上所述，在每个PCB设计中，电路的噪声部分和“安静”部分(非噪声部分)要分隔开。一般来说，数字电路“富含”噪声，而且对噪声不敏感(因为数字电路有 较大的电压噪声容限);相反，模拟电路的电压噪声容限就小得多。两者之中，模拟电路对开关噪声最为敏感。在混合信号系统的布线中，这两种电路要分隔开，如 图4所示。
PCB设计产生的寄生元件
PCB设计中很容易形成可能产生问题的两种基本寄生元件：寄生电容和寄生电感。设计 电路板时，放置两条彼此靠近的走线就会产生寄生电容。可以这样做：在不同的两层，将一条走线放置在另一条走线的上方;或者在同一层，将一条走线放置在另一 条走线的旁边，如图5所示。在这两种走线配置中，一条走线上电压随时间的变化(dV/dt)可能在另一条走线上产生电流。如果另一条走线是高阻抗的，电场 产生的电流将转化为电压。
快速电压瞬变最常发生在模拟信号设计的数字侧。如果发生快速电压瞬变的走线靠近高阻抗模拟走线，这种误差将严重影响模拟电路的精度。在这种环境中，模拟电路有两个不利的方面：其噪声容限比数字电路低得多;高阻抗走线比较常见。
采用下述两种技术之一可以减少这种现象。最常用的技术是根据电容的方程，改变走线之间的尺寸。要改变的最有效尺寸是两条走线之间的距离。应该注意，变量d在 电容方程的分母中，d增加，容抗会降低。可改变的另一个变量是两条走线的长度。在这种情况下，长度L降低，两条走线之间的容抗也会降低。
另一种技术是在这两条走线之间布地线。地线是低阻抗的，而且添加这样的另外一条走线将削弱产生干扰的电场，如图5所示。
电路板中寄生电感产生的原理与寄生电容形成的原理类似。也是布两条走线，在不同的两层，将一条走线放置在另一条走线的上方;或者在同一层，将一条走线放置在 另一条的旁边，如图6所示。在这两种走线配置中，一条走线上电流随时间的变化(dI/dt)，由于这条走线的感抗，会在同一条走线上产生电压;并由于互感 的存在，会在另一条走线上产生成比例的电流。如果在第一条走线上的电压变化足够大，干扰可能会降低数字电路的电压容限而产生误差。并不只是在数字电路中才 会发生这种现象，但这种现象在数字电路中比较常见，因为数字电路中存在较大的瞬时开关电流。
为消除电磁干扰源的潜在噪声，最好将“安静”的模拟线路和噪声I/O端口分开。要设法实现低阻抗的电源和地网络，应尽量减小数字电路导线的感抗，尽量降低模拟电路的电容耦合。
结语
数字和模拟范围确定后，谨慎地布线对获得成功的PCB至关重要。布线策略通常作为经验准则向大家介绍，因为很难在实验室环境中测试出产品的最终成功与否。因此，尽管数字和模拟电路的布线策略存在相似之处，还是要认识到并认真对待其布线策略的差别。
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