PCB布線設計經(jīng)驗談附原理圖(第三章)

布線需要考慮的問題很多，但是最基本的的還是要做到周密，謹慎。

寄生元件危害最大的情況
　　印刷電路板布線產(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形成；電路板上的走線、焊盤和平行走線會產(chǎn)生寄生電容；寄生電感的產(chǎn)生途徑包括環(huán)路電感、互感和過孔。當將電路原理圖轉化為實際的PCB時，所有這些寄生元件都可能對電路的有效性產(chǎn)生干擾。本文將對最棘手的電路板寄生元件類型 — 寄生電容進行量化，并提供一個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，很容易產(chǎn)生寄生電容。由于這種寄生電容的存在，在一條走線上的快速電壓變化會在另一條走線上產(chǎn)生電流信號。

圖2 用三個8位數(shù)字電位器和三個放大器提供65536個差分輸出電壓，組成一個16位D/A轉換器。如果系統(tǒng)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嘗試。此配置在模擬線路上產(chǎn)生不規(guī)律的噪聲，這是因為在特定數(shù)字走線上的數(shù)據(jù)輸入碼隨著數(shù)字電位器的編程需求而改變。


寄生電容的危害

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

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

　　為講解圖2所示電路的工作原理，采用三個8位數(shù)字電位器和三個CMOS運算放大器組成一個16位D/A轉換器。在此圖的左側，在VDD和地之間跨接了兩個數(shù)字電位器(U3a和U3b)，其抽頭輸出連接到兩個運放(U4a和U4b)的正相輸入端。數(shù)字電位器U2和U3通過與單片機(U1)之間的SPI接口編程。在此配置中，每個數(shù)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。

　　這兩個數(shù)字電位器的抽頭都分別連接到兩個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(shù)字電位器與電路其它部分隔離開了。這兩個放大器配置為其輸出擺幅限制不會超出第二級放大器的輸入范圍。

圖 4 在此示波器照片中，最上面的波形取自JP1(到數(shù)字電位器的數(shù)字碼)，第二個波形取自JP5(相鄰模擬走線上的噪聲)，最下面的波形取自TP10(16位D/A轉換器輸出端的噪聲)。


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

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

　　為使此電路具有16位D/A轉換器的性能，采用第三個數(shù)字電位器(U2a)跨接在兩個運放(U4a和U4b)的輸出端之間。U3a和U3b的編程設定經(jīng)數(shù)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8位數(shù)字電位器R3，則自左至右整個電路的LSB大小為76.3mV。此電路獲得最優(yōu)性能所需的嚴格器件規(guī)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(jié)的直流差分電壓。在此模式中，電路的數(shù)字部分只是偶爾使用，在正常工作時不使用。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(shù)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如圖3所示。此電路是在實驗室中快速設計出的，沒有注意細節(jié)。在檢查布線時，發(fā)現(xiàn)將數(shù)字走線布在了高阻抗模擬線路的旁邊。需要強調的是，第一次就應該正確布線，本文的目的是為了講解如何識別問題及如何對布線做重大改進。

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

　　在測試板上經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)數(shù)字走線中的數(shù)字信號耦合到了敏感的模擬走線中，參見圖4。

　　系統(tǒng)中對數(shù)字電位器編程的數(shù)字信號沿著走線逐漸傳輸?shù)捷敵鲋绷麟妷旱哪M線路。此噪聲通過電路的模擬部分一直傳播到第三個數(shù)字電位器(U5a)。第三個數(shù)字電位器在兩個輸出狀態(tài)之間翻轉。解決這個問題的方法主要是分隔開走線，圖5示出了改進的布線方案。

　　改變布線的結果如圖6所示。將模擬和數(shù)字走線仔細分開后，電路成為非常“干凈”的16位D/A轉換器。圖中的波形是第三個數(shù)字電位器的單碼轉換結果76.29mV。


結語

　　數(shù)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。尤其是有源數(shù)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。