在布局中使用模拟与数字集成电路

用示波器比较数字和模拟信号

我们中的一些人渴望一个更简单的时代，那时一切都可以在数字和模拟领域完成。如今，你无法在复杂的电子产品中运行纯数字或模拟系统。混合信号pcb是标准，使旧的布局策略过时。

我们生活在一个非线性的模拟世界里，东西只有在纸上才能真正变成数字或线性。模拟集成电路和数字集成电路之间的区别始于信号波形，而不是结束于正确的布局选择。使用正确的布局策略可以帮助确保来自模拟和数字集成电路(ICs)的信号保持干净，不会相互干扰。

线性与非线性集成电路

模拟集成电路有线性和非线性两种。模拟线性集成电路的输出信号将与输入信号成比例缩放。换句话说，如果你画出输出信号和输入信号的曲线，它们之间的关系将是一条直线。而非线性模拟集成电路则不是这样。信号输出的曲线将不是一条直线。这些集成电路的输出信号在高输入电压下通常表现为饱和。

显示非线性输出的两个常见的电路元件的例子是晶体管和二极管。二极管的输出是输入电压的指数函数。对于晶体管，在低输入电压时，输出信号最初是线性的，但一旦输入电压足够大，输出很快饱和到一个恒定的输出。

非线性模拟集成电路可以在输出信号呈现线性响应的同时，在时间上呈现非线性响应。这意味着非线性效应的产生取决于输入频率，而不是输入电压。一个常见的模拟集成电路非线性作用于输入交流信号是放大器电路。放大器电路的转换速率(即单位时间内的最大输出电压变化)将限制其响应速度。如果一个高频率的正弦波形输入到一个低转换速率的放大器，输出将类似于一个三角波的响应速率饱和到转换速率。

大多数带有非线性元件的电路都不容易用解析方法检验，这意味着电路中的电流和电压必须用数值计算。无论你是使用模拟或数字集成电路(或两者兼用)，都很好仿真包可以帮助您建模和验证您的设备的功能。

噪音和它对PCB布局的意义

不幸的是，与模拟集成电路相比，数字集成电路噪声很大。对于具有给定开关频率的数字信号，与具有相同频率和幅值的模拟信号相比，功率谱将集中在更多频率上的功率。再加上数字电路中众多的噪声源，模拟集成电路中的噪声数字可能显著高于数字集成电路。

根据集成电路中电路元件的混合方式，模拟集成电路的输出信号可能表现出强烈的非线性。同时，数字集成电路的定义是非线性的，逻辑处理电路实际上是分段非线性的。因为噪声在任何信号中都是不可避免的，所以这些电路元件对噪声的响应方式取决于输入和输出信号之间的关系(称为传递函数)。

无论您使用的是数字集成电路还是模拟集成电路，您都应该始终使用最佳实践来抑制辐射和传导的EMI、串扰和信号反射。你不能通过过滤完全去除白噪声。例如，如果你想用带通滤波器去除正弦信号中的白噪声，你只能滤除远离带中心频率的噪声。使用可靠的布局实践可以帮助您将噪声水平降低到无法测量的程度。

模拟，数字和混合信号布局

在相同的pcb上使用模拟和数字集成电路需要将你的电路板分成模拟和数字功能块。电路板的模拟部分应该放置在模拟接地平面上，同时保持整个PCB地线之间的隔离。同样的道理也适用于数字集成电路:它们应该放置在自己的地平面上。每种类型的组件只能是路由在它自己的地面上。

一个接地平面可以被分成数字部分和模拟部分，同时仍然被连接。连接两架飞机的最佳地点是靠近电源的地方。在一个平面中产生的噪声会被两个平面之间的高阻抗返回路径所阻挡而不能进入另一个平面。一个平面内的噪声信号将被防止穿越到模拟平面，并将噪声耦合回模拟信号，反之亦然。相反，在任何一个区域产生的噪声都必须沿着最小电抗的路径返回到连接区域，并最终到达电源。

在布局中，数字和模拟地平面之间的分离距离也很重要。即使两个地平面是平的，它们仍然电容耦合，所以一个部分的噪声仍然可以耦合到另一个部分。一般来说，如果空间允许，你应该选择一个更大的间隔，因为这将降低等效电容，从而增加地平面之间的等效阻抗。

你的模拟和数字组件可以和谐共处

如果你和混合信号集成电路，你有一个问题，因为你将需要把他们横跨模拟和数字地面部分同时。旧的IC没有将混合信号IC上的模拟和数字引脚完全分离到双列直插封装(DIP)的每一侧。值得庆幸的是，较新的集成电路以这种方式分离引脚，允许您将集成电路安装在两个地平面上。在这种情况下，包裹的大小将限制你的地平面之间的分离。

最好的PCB设计软件包使它容易与模拟，数字，或混合信号板工作。如果您的设计包包含模拟功能，您将能够评估设计中潜在的噪声问题，并在电路板下线之前解决它们。

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