如何應(yīng)對電路板寄生組件對電路性能的干擾

電路板布線所產(chǎn)生主要寄生組件分別是電阻、電容以及電感。從電路圖轉(zhuǎn)成實(shí)際電路板時，所有寄生組件都有機(jī)會干擾電路性能。當(dāng)一系統(tǒng)混合數(shù)字與模擬組件時，仔細(xì)布線是電路板成功與否關(guān)鍵。尤其，靠近高阻抗模擬走線經(jīng)常變化之?dāng)?shù)字走線將造成嚴(yán)重耦合噪聲，只有讓這兩種走線保持距離方可避免這種現(xiàn)象。本文量化了最棘手電路板寄生組件、電路板電容，并列舉可清楚看到電路板上性能例子來說明。

非必要電容帶來困擾

兩條相鄰平行走線會形成布線電容。電容值可用(圖一)中所示公式計(jì)算。

注:兩條走線相鄰布置，即可在一塊電路板上形成電容。因?yàn)榇朔N電容，在一條走在線快速電壓變化可在另一條走在線引起電流信號。

圖一　兩條走線相鄰布置可在一塊電路板上形成電容

當(dāng)高阻抗模擬走線貼近數(shù)字走線時，這種電容可能會在敏感混合訊號電路中造成問題。例如 (圖二)中電路就可能會面臨這類問題。

注:以三個8位數(shù)字電位計(jì)和三個運(yùn)算放大器組成之輸出電壓達(dá) 6萬5536階之16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。如果 VDD 在這個系統(tǒng)內(nèi)是 5V，這個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器分辨率或 LSB大小就是 76.3μV。

圖二　線與線太靠近，容易在電路板中產(chǎn)生寄生電容

(圖二)電路動作，使用三個８位數(shù)字電位計(jì)和三個CMOS運(yùn)算放大器來組成一個16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。圖二左側(cè)，有兩個數(shù)位電位計(jì)（U3a and U3b）接到 VDD與地間，該中心抽頭輸出端連接至兩個運(yùn)算放大器（U4a 與 U4b）非反向輸入端。使用微控制器U1 之SPI接口來規(guī)劃數(shù)字電位計(jì)U2與U3。在這個架構(gòu)中，每個數(shù)字電位計(jì)被規(guī)劃為一個8位之多階數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。如果VDD等于5V，這些數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 LSB 大小等于19.61mV。

這兩個數(shù)字電位計(jì)之中心抽頭端被連接至兩個當(dāng)緩沖器運(yùn)算放大器之非反向輸入端。在這個電路結(jié)構(gòu)中，運(yùn)算放大器之輸入端是高阻抗，將數(shù)字電位計(jì)與電路其它部份隔離。這兩個運(yùn)算放大器輸出之變化振幅被規(guī)劃在不會超出第二級運(yùn)算放大器允許范圍內(nèi)。

要讓這個電路形成16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（U2a），第三個數(shù)字電位計(jì)會在這兩個運(yùn)算放大器U4a與U4b之輸出范圍內(nèi)變動。規(guī)劃U3a和U3b用來設(shè)定數(shù)字電位計(jì)之輸出電壓。再者，如果VDD是5V，則有可能將U3a與U3b個別規(guī)劃為每一步19.61mV變化量。以此電壓跨在第三個8位數(shù)字電位計(jì)R3 上，使本電路最低有效位所對應(yīng)電壓值為 76.3uV。

本電路可被用于兩種基本操作模式；第一種模式用于可規(guī)劃調(diào)整之直流參考電壓，在這個模式中，只是偶爾使用電路之?dāng)?shù)字部份而在正常操作中卻沒有；第二種模式用于任意波型產(chǎn)生器，在這個模式中，電路之?dāng)?shù)字部份是操作核心，且可能發(fā)生電容耦合情形。圖二中電路第一種完成布線如(圖三)所示。

注:此為對圖二中電路第一種布線。在圖二中可迅速看到，重要高阻抗模擬走線與數(shù)字走線極為接近。本結(jié)構(gòu)在模擬走在線，因特定數(shù)位走線之?dāng)?shù)據(jù)輸入碼改變，產(chǎn)生無預(yù)期且隨數(shù)字電位計(jì)規(guī)劃需求而變化噪聲。

圖三　圖二中另一方式布線圖

觀察布線中有顏色走線，潛在問題很明顯。箭頭所指模擬走線（藍(lán)色）從U3a之中心抽頭至U4a之高阻抗放大器輸入端。另一箭頭所指數(shù)字走線（綠色）是用來傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以規(guī)劃設(shè)定數(shù)字電位計(jì)。在實(shí)驗(yàn)桌上，發(fā)現(xiàn)綠色走在線數(shù)字訊號耦合到敏感藍(lán)色走線內(nèi)，如(圖四)所示。

注:示波器照片中，最上面是JP1波形（規(guī)劃數(shù)字電位計(jì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)），中間是JP5波形（在相鄰模擬走在線噪聲），最下面$是TP10波形（16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出端噪聲）

圖四　示波器照片圖

在系統(tǒng)中，規(guī)劃數(shù)字電位計(jì)之?dāng)?shù)字訊號已從走線感應(yīng)到到另一條具有直流電壓之模擬走線，而這個噪聲又一路透過電路模擬部份傳遞到第三數(shù)字電位計(jì)（U5a）。第三數(shù)字電位計(jì)在兩個運(yùn)算放大器之輸出狀態(tài)間變動。解決該問題之方式為將走線分開。(圖五)顯示一個改善布線解決方案。

注:這個距離實(shí)質(zhì)上已消除了在之前布線中造成干擾數(shù)字噪聲。

圖五　使用這個新布線，模擬走線和數(shù)字走線已被分開

注:這個新布線中16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器正顯示一個單*轉(zhuǎn)換，從通信到數(shù)字電位計(jì)沒有任何數(shù)字噪聲。

布線變更結(jié)果將模擬與數(shù)字走線仔細(xì)分開，本電路變成一個很干凈16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。第三數(shù)字電位計(jì)76.29μV一個單*轉(zhuǎn)換顯示在綠色波形。示波器刻度是80mV/div且被顯示代碼變更幅度約為80mV。受限于實(shí)究室配備，所以將 16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出乘以1000倍。