数字電(diàn)路设计与模拟電(diàn)路设计的區(qū)别

2020-03-19

数字電(diàn)路设计与模拟電(diàn)路设计的區(qū)别有(yǒu)许多(duō)，这里简单介绍一下，希望给你启发：

我们中的某些人渴望在数字電(diàn)路设计和模拟電(diàn)路设计领域中都能(néng)完成所有(yǒu)工作的简单时期。如今，您无法摆脱在复杂的電(diàn)子产品中运行纯数字或模拟系统的麻烦。混合信号PCB是很(hěn)普遍的做法，使得旧的布局策略已过时。

我们生活在一个非線(xiàn)性的模拟世界中，事物(wù)在纸上才真正变成数字或線(xiàn)性的。模拟電(diàn)路设计和数字電(diàn)路设计之间的差异始于信号波形，而并非始于正确的布局选择。使用(yòng)正确的布局策略可(kě)以帮助确保来自模拟和数字集成電(diàn)路（IC）的信号保持干净并且不会互相干扰。

線(xiàn)性与非線(xiàn)性IC

模拟IC有(yǒu)線(xiàn)性和非線(xiàn)性两种。模拟線(xiàn)性IC的输出信号将与输入信号成比例。换句话说，如果将输出信号与输入信号作图，则与它们相关的曲線(xiàn)将是一条直線(xiàn)。非線(xiàn)性模拟IC并非如此。信号输出的曲線(xiàn)将不是直線(xiàn)。这些IC的输出信号通常在高输入電(diàn)压下表现出饱和。

呈现非線(xiàn)性输出的電(diàn)路元件的两个常见示例是晶體(tǐ)管和二极管。二极管的输出是输入電(diàn)压的指数函数。对于晶體(tǐ)管，输出信号最初在低输入電(diàn)压下是線(xiàn)性的，但是一旦输入電(diàn)压足够大，输出很(hěn)快就会饱和到恒定输出。

非線(xiàn)性模拟IC可(kě)以在时间上表现出非線(xiàn)性响应，同时在输出信号中仍然表现出線(xiàn)性响应。这意味着非線(xiàn)性效应的产生取决于输入频率，而不是输入電(diàn)压。一种非線(xiàn)性地作用(yòng)于输入交流信号的常见模拟集成電(diàn)路是放大器電(diàn)路。放大器電(diàn)路的压摆率（即每单位时间的最大输出電(diàn)压变化）将限制其响应速度。如果将高频率正弦波形输入到具有(yǒu)低摆率的放大器，则当响应率饱和到摆率时，输出将类似于三角波。

大多(duō)数带有(yǒu)非線(xiàn)性元件的電(diàn)路都不容易进行分(fēn)析检查，这意味着必须以数字方式计算電(diàn)路中的電(diàn)流和電(diàn)压。无论您使用(yòng)的是模拟IC还是数字IC（或同时使用(yòng)这两者），出色的仿真套件都可(kě)以帮助您建模和验证设备的功能(néng)。

噪声及其对您的PCB布局的意义

不幸的是，与模拟IC相比，数字IC是令人生厌的动物(wù)。对于具有(yǒu)给定开关频率的数字信号，与具有(yǒu)相同频率和幅度的模拟信号相比，功率谱会将功率集中在更多(duō)的频率上。加上数字電(diàn)路中的众多(duō)噪声源，模拟和数字集成電(diàn)路中的噪声系数可(kě)能(néng)会更高。

根据IC中電(diàn)路元件的混合方式，模拟IC的输出信号可(kě)能(néng)会表现出强烈的非線(xiàn)性。同时，数字IC从定义上说是非線(xiàn)性的，逻辑处理(lǐ)電(diàn)路实际上是分(fēn)段非線(xiàn)性的。因為(wèi)在任何信号中都不可(kě)避免地会产生噪声，所以这些電(diàn)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（称為(wèi)传递函数）。

无论您使用(yòng)数字IC还是模拟IC，都应始终使用(yòng)最佳实践来抑制辐射和传导EMI，串扰和信号反射。您无法通过过滤完全消除白噪声。例如，如果要使用(yòng)带通滤波器消除正弦信号中的白噪声，则只能(néng)滤除遠(yuǎn)离带中心的频率处的噪声。使用(yòng)久经考验的布局实践可(kě)以帮助您将噪声水平降低到极低的水平，以至于无法测量。

模拟，数字和混合信号布局

在同一块PCB上使用(yòng)模拟和数字IC时，需要将電(diàn)路板分(fēn)成模拟和数字功能(néng)块。電(diàn)路板的模拟部分(fēn)应放置在模拟接地层上，同时保持PCB接地之间的隔离。数字IC同样如此：它们应放置在自己的接地板上。每种类型的组件都只能(néng)在其自己的接地平面上布線(xiàn)。单个接地层可(kě)以在仍然连接的情况下分(fēn)成数字部分(fēn)和模拟部分(fēn)。连接这两个平面的最佳位置是在電(diàn)源附近。一个平面中感应的噪声将被它们之间的高阻抗返回路径阻止进入另一平面。将防止一个平面中的噪声信号进入模拟平面并将噪声耦合回模拟信号，反之亦然。取而代之的是，在任何一个區(qū)域中感应出的噪声都必须遵循電(diàn)抗最小(xiǎo)的路径，回到连接的區(qū)域，最后回到電(diàn)源。

布局中数字和模拟接地平面部分(fēn)之间的分(fēn)隔距离也很(hěn)重要。即使两个接地平面是平坦的，它们仍会電(diàn)容耦合，因此一个部分(fēn)中的噪声仍可(kě)以耦合到另一部分(fēn)中。通常，如果空间允许，您应该选择更大的间距，因為(wèi)这样会减小(xiǎo)等效電(diàn)容，从而增加接地层之间的等效阻抗。

您的模拟和数字组件可(kě)以和谐相处

如果使用(yòng)混合信号IC，则会遇到问题，因為(wèi)您需要将它们同时放在模拟和数字接地部分(fēn)。较旧的IC并未将混合信号IC上的模拟和数字引脚完全分(fēn)离到双列直插式封装（DIP）的每一侧。值得庆幸的是，较新(xīn)的IC以此方式将引脚分(fēn)开，从而使您可(kě)以将IC安装在两个接地平面上。在这种情况下，封装的大小(xiǎo)将限制接地平面之间的距离。最好的PCB设计软件包使处理(lǐ)模拟，数字或混合信号板变得容易。如果您的设计包包含仿真功能(néng)，则您将能(néng)够评估设计中的潜在噪声问题，并在電(diàn)路板下線(xiàn)之前解决这些问题。