PCB佈線設計 三

2023-02-04 17:27:02 字數 2155 閱讀 6804

佈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

印刷電路板佈線產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生寄生電容;寄生電感的產生途徑包括環路電感、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生干擾。本文將對最棘手的電路板寄生元件型別 — 寄生電容進行量化,並提供乙個可清楚看到寄生電容對電路效能影響的示例。

圖1 在pcb上布兩條靠近的走線,很容易產生寄生電容。由於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生電流訊號。

圖2 用三個8位數字電位器和三個放大器提供65536個差分輸出電壓,組成乙個16位d/a轉換器。如果系統中的vdd為5v,那麼此d/a轉換器的解析度或lsb大小為76.3mv。

圖3 這是對圖2所示電路的第一次佈線嘗試。此配置在模擬線路上產生不規律的雜訊,這是因為在特定數字走線上的資料輸入碼隨著數字電位器的程式設計需求而改變。

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引起的。可以採用圖1所示的公式來計算這種電容值。

在混合訊號電路中,如果敏感的高阻抗模擬走線與數字走線距離較近,這種電容會產生問題。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,採用三個8位數字電位器和三個cmos運算放大器組成乙個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字電位器(u3a和u3b),其抽頭輸出連線到兩個運放(u4a和u4b)的正相輸入端。數字電位器u2和u3通過與微控制器(u1)之間的spi介面程式設計。

在此配置中,每個數字電位器配置為8位乘法型d/a轉換器。如果vdd為5v,那麼這些d/a轉換器的lsb大小等於19.61mv。

這兩個數字電位器的抽頭都分別連線到兩個配置了緩衝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範圍。

圖 4 在此示波器**中,最上面的波形取自jp1(到數字電位器的數字碼),第二個波形取自jp5(相鄰模擬走線上的雜訊),最下面的波形取自tp10(16位d/a轉換器輸出端的雜訊)。

圖5 採用這種新的佈線,將模擬線路和數字線路隔離開了。增大走線之間的距離,基本消除了在前面佈線中造成干擾的數字雜訊。

圖 6 圖中示出了採用新佈線的16位d/a轉換器的單個碼轉換結果,對數字電位器程式設計的數碼訊號沒有造成數字雜訊。

為使此電路具有16位d/a轉換器的效能,採用第三個數字電位器(u2a)跨接在兩個運放(u4a和u4b)的輸出端之間。u3a和u3b的程式設計設定經數字電位器後的電壓值。如果vdd為5v,可以將u3a和u3b的輸出程式設計為相差19.

61mv。此電壓大小經第三個8位數字電位器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。第一種模式可用於獲得可程式設計、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,在正常工作時不使用。

第二種模式是可以將此電路用作任意波形發生器。在此模式中,電路的數字部分是電路執行的必需部分。此模式中可能發生電容耦合的危險。

圖2所示電路的第一次佈線如圖3所示。此電路是在實驗室中快速設計出的,沒有注意細節。在檢查佈線時,發現將數字走線布在了高阻抗模擬線路的旁邊。

需要強調的是,第一次就應該正確佈線,本文的目的是為了講解如何識別問題及如何對佈線做重大改進。

看一下此佈線中不同的走線,可以明顯看到**可能存在問題。圖中的模擬走線從u3a的抽頭連線到u4a放大器的高阻抗輸入端。圖中的數字走線傳送對數字電位器設定進行程式設計的數字碼。

在測試板上經過測量,發現數字走線中的數碼訊號耦合到了敏感的模擬走線中,參見圖4。

系統中對數字電位器程式設計的數碼訊號沿著走線逐漸傳輸到輸出直流電壓的模擬線路。此雜訊通過電路的模擬部分一直傳播到第三個數字電位器(u5a)。第三個數字電位器在兩個輸出狀態之間翻轉。

解決這個問題的方法主要是分隔開走線,圖5示出了改進的佈線方案。

改變佈線的結果如圖6所示。將模擬和數字走線仔細分開後,電路成為非常「乾淨」的16位d/a轉換器。圖中的波形是第三個數字電位器的單碼轉換結果76.29mv。

結語  數字和模擬範圍確定後,謹慎佈線對獲得成功的pcb是至關重要的。尤其是有源數字走線靠近高阻抗模擬走線時,會引起嚴重的耦合雜訊,這只能通過增加走線之間的距離來避免。

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