从事数位设计与数位布线专家的人数之增加反映出一趋势──工业处于领先地位。虽然数位设计是电子终端产品进步的指标，但数位电路仍需要介面至类比电路或真实世界。这两种电路间的布线方式虽有类似的部分，但要达到良好结果时，即使在一个简单的电路布线设计中存在小差异，都将导致无法达到最佳效果。本文中将探讨类比与数位布线间的基本异同，有关旁路电容、电源供应以及接地布线、电压误差，以及因电路板布线造成的电磁干扰（EMI）。

类比与数位布线工作之相似处

旁路或反交连电容

就布线而言，类比元件与数位元件皆需要此类电容。通常这两种电路都需要一个0.1uF的电容，而且该电容需置于靠近电源接脚端；第二类为常用于系统中之电源供应器的电容，其值通常大约是10uF。

电容位置如(图一)所示。电容值各有不同，可能高十倍亦或低十倍，但都必需尽量缩短线长且靠近元件（0.1uF 电容）或电源供应器（10uF 电容）。

《图一 模拟与数字电路板设计中，旁路或反交连电容（0.1uF）应尽可能靠近组件》 电源供应反交连电容（10uF）应置于电源走线进入电路板的位置。任何情况下，这些电容的走线要越短越好。

旁路或反交连电容以及在电路板上之配置，对此两种电路设计而言皆为常识，但基于不同的理由，在类比电路设计中，通常用于电源供应上之旁路电容，将使高频信号转向；否则高频信号将透过电源接脚，而进入敏感的类比晶片。一般而言，这些高频讯号之频率会发生于类比元件有能力抑制之频率以上。在类比电路中不使用旁路电容可能会发生后果为导致过度的杂讯进到讯号路径中，甚至引起振荡。

对数位元件，如控制器与处理器而言，反交连电容为必要的，但理由不同。这些电容的功能之一是当作「微型」电荷储存库。通常在数位电路中，闸极状态切换时会消耗大量的电流。因为在晶片上发生切换动作时，暂态电流会通过晶片及整个电路板，故使用额外的充电来补充供应其所需是有助益的。没有本地足够的充电以供执行转换动作所需之电流的后果──可能导致电源供应电压明显的变动。当电压变动过大时，会导致数位信号位准进入不确定状态；甚至导致数位元件内的状态机器运作不正确。切换电流通过电路板走线时，将导致电压的变动。电路板走线含有寄生电感，且电压的变化值可使用下列公式来计算：

V＝LI/t

因此，基于多种理由，接上旁路（或反交连）电容到电源供应与主动元件的电源接脚上为好的作法。

电源与接地走线相互搭配

当电源位置与接地线位置完全匹配时，电磁干扰的机会就会减少。如果电源与接地未完全匹配，系统回路会被设计到布线内，而且将可能会发生「吵杂」现象。电源与接地线不匹配的电路板设计，如(图二)所示。

《图二 电路板上组件之电源与接地线使用不同的走线布置》 不匹配状况将使电路板的电路可能产生电磁干扰

设计电路板内的回路面积为697cm2。使用(图三)所示的方法后，因幅射杂讯而形成回路中感应电压的机会大为降低。

《图三 在单层板中，电源线与接地线在通往电路板上组件途中为彼此相近》 其匹配性较图二为佳，因此发生电磁干扰的机率减少为 679/12.8 或 ～54ｘ。

单元上的差异

接地面可能造成的问题

适用类比电路以及数位电路板布线的基本考量，基本法则为使用连续接地面。此惯例降低了数位电路中的 I/t 影响（电流随时间造成的变化），因而降低接地杂讯及其他杂讯进入类比电路中的可能性。数位与类比电路的布线技术在本质上相同，但有一例外是──让数位讯号线及接地面的返回路径，尽可能远离类比电路。进行方式可藉由将类比接地面单独连接到系统接地，或是将类比电路放置在电路板最远处，例如线的末端，该作法是使外部的干扰源减到最小。对数位电路而言刚好相反，数位电路可容许接地面上较大量的杂讯而不至于发生问题。

零件的位置

如上述，在每一电路板设计中，电路吵杂与安静的部份应分开。一般而言，数位电路是有「很多」杂讯的且对这类杂讯的敏感度较低（因耐杂讯度较大）。相较之下，类比电路的耐杂讯度就小得多。比较这两种不同的电路，类比电路对切换杂讯最为敏感。在混合讯号系统的布线中，应将两种电路彼此分开，如(图四)。

《图四 (a)将电路的数字与模拟部份彼此分开，以降低数字切换动作影响到模拟电路；》

(b)高频应与低频分开，让高频元件较接近电路板连接器

随布线进入电路板的寄生零件

两种基本的寄生零件可随布线进入电路板内而产生问题──电容与电感。只要两条走线相互靠近，在电路板内即产生一个电容；如(图五)所示，将两走线在上下两层重叠或相邻放在同一层上。在这两种走线结构中，在一条走线上因时间产生的电压变化（I/t）可在另一条走线上产生感应电流。假若第二条走线是高阻抗的，因电场而产生的电流将转换成电压。

《图五 线与线太靠近，容易在电路板中产生寄生电容》 在其中一条走在线的快速电压变化，便会在另一条走在线感应出电流

在混合讯号系统中，常发现数位电路发生快速电压变化的情形。如果让快速电压变化的走线靠近高阻抗类比走线，便会破坏类比电路系统的准确性。所以，在混合讯号系统这个环境内，必须留意是：耐杂讯度较数位电路为低，另一为不要有高阻抗走线。

使用下面两种技术的任何一种，即可轻易地使这种现象降到最低。最常使用的技术是，依电容方程式的建议来变更走线间的相关尺寸。最有效的方法：引起问题的走线间的间距。要注意变数「d」是在电容方程式的分母中，当「d」增加时，电容量会减少。另一个可以改变的变数则是两条走线的长度，如果长度（「L」）减少，则两条走线间的电容量也会减少。

另一种技术是在两条走线间配置一个接地线。接地线不只是低阻抗，像这样一条额外的走线也会瓦解易导致干扰的电场，如(图五)所示。

在电路板中产生电感的结构与电容类似，如(图六)所示，将两条走线在上下层重叠或相邻放在同一层。在这两种走线结构中，一条走线上随时间改变的电流（I/t）会因为走线本身的电感而在线上产生电压，并因互感而在另一走线上感应一定比例的电流。如果主要走线上的电压变化量够大的话，会引起干扰并导致数位电路的耐杂讯度降低，甚至造成误动作。该现象不是数位电路专有，但因为在数位的环境内，较常发生瞬间​​切换的大电流。

《图六 若不注意走线的配置，在电路板中的走线会形成线电感与互感》 此种寄生组件对含数字切换电路的运作会造成伤害

要消除电磁干扰源的潜在杂讯，最好的方式是将安静的类比走线与吵杂的输入/输出埠隔开。想办法降低电源与接地网路的阻抗，让数位电路走线铜箔中的电感与类比电路中电容耦合量降到最小。

结论

当设计中同时存在类比与数位电路时，仔细布线是完成电路板设计成功的关键。布线方式通常作为遵守的原则，否则在实验室的环境中，很难去测试产品的成功与否。因此，一般而言，虽然数位与类比单元的布线方式有相似处，但仍应认识其差异处并加以遵守。 （作者任职于Microchip Technology）

参考资料：

[1] Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd ed., Wiley, 1998.

[2] Ralph Morrison, Noise and Other Interfering Signals, Wiley and Sons, 1992.