PCB布線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)談附原理圖(第三章)

布線需要考慮的問(wèn)題很多，但是最基本的的還是要做到周密，謹(jǐn)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(pán)和平行走線會(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(dāng)將電路原理圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際的PCB時(shí)，所有這些寄生元件都可能對(duì)電路的有效性產(chǎn)生干擾。本文將對(duì)最棘手的電路板寄生元件類型 — 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(duì)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(huì)在另一條走線上產(chǎn)生電流信號(hào)。

圖2 用三個(gè)8位數(shù)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(zhuǎn)換器。如果系統(tǒng)中的VDD為5V，那么此D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率或LSB大小為76.3mV。

圖3 這是對(duì)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?yàn)樵谔囟〝?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。可以采用圖1所示的公式來(lái)計(jì)算這種電容值。

　　在混合信號(hào)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(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(shù)字電位器和三個(gè)CMOS運(yùn)算放大器組成一個(gè)16位D/A轉(zhuǎn)換器。在此圖的左側(cè)，在VDD和地之間跨接了兩個(gè)數(shù)字電位器(U3a和U3b)，其抽頭輸出連接到兩個(gè)運(yùn)放(U4a和U4b)的正相輸入端。數(shù)字電位器U2和U3通過(guò)與單片機(jī)(U1)之間的SPI接口編程。在此配置中，每個(gè)數(shù)字電位器配置為8位乘法型D/A轉(zhuǎn)換器。如果VDD為5V，那么這些D/A轉(zhuǎn)換器的LSB大小等于19.61mV。

　　這兩個(gè)數(shù)字電位器的抽頭都分別連接到兩個(gè)配置了緩沖器的運(yùn)放的正相輸入端。在此配置中，運(yùn)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(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(jí)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(gè)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(zhuǎn)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(kāi)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(zhuǎn)換器的單個(gè)碼轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)數(shù)字電位器編程的數(shù)字信號(hào)沒(méi)有造成數(shù)字噪聲。

　　為使此電路具有16位D/A轉(zhuǎn)換器的性能，采用第三個(gè)數(shù)字電位器(U2a)跨接在兩個(gè)運(yùn)放(U4a和U4b)的輸出端之間。U3a和U3b的編程設(shè)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(gè)8位數(shù)字電位器R3，則自左至右整個(gè)電路的LSB大小為76.3mV。此電路獲得最優(yōu)性能所需的嚴(yán)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(diào)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(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(shù)字部分是電路運(yùn)行的必需部分。此模式中可能發(fā)生電容耦合的危險(xiǎn)。

　　圖2所示電路的第一次布線如圖3所示。此電路是在實(shí)驗(yàn)室中快速設(shè)計(jì)出的，沒(méi)有注意細(xì)節(jié)。在檢查布線時(shí)，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(qiáng)調(diào)的是，第一次就應(yīng)該正確布線，本文的目的是為了講解如何識(shí)別問(wèn)題及如何對(duì)布線做重大改進(jìn)。

　　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(wèn)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(duì)數(shù)字電位器設(shè)置進(jìn)行編程的數(shù)字碼。

　　在測(cè)試板上經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)數(shù)字走線中的數(shù)字信號(hào)耦合到了敏感的模擬走線中，參見(jiàn)圖4。

　　系統(tǒng)中對(duì)數(shù)字電位器編程的數(shù)字信號(hào)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(guò)電路的模擬部分一直傳播到第三個(gè)數(shù)字電位器(U5a)。第三個(gè)數(shù)字電位器在兩個(gè)輸出狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)。解決這個(gè)問(wèn)題的方法主要是分隔開(kāi)走線，圖5示出了改進(jìn)的布線方案。

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


結(jié)語(yǔ)

　　數(shù)字和模擬范圍確定后，謹(jǐn)慎布線對(duì)獲得成功的PCB是至關(guān)重要的。尤其是有源數(shù)字走線靠近高阻抗模擬走線時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重的耦合噪聲，這只能通過(guò)增加走線之間的距離來(lái)避免。