如何消除電路板布線中造成的耦合噪聲干擾

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(shí)，所有寄生組件都有機(jī)會(huì)干擾電路性能。當(dāng)一系統(tǒng)混合數(shù)字與模擬組件時(shí)，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(huì)形成布線電容。

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(hào)。

當(dāng)高阻抗模擬走線貼近數(shù)字走線時(shí)，這種電容可能會(huì)在敏感混合訊號(hào)電路中造成問題。

注:以三個(gè)8位數(shù)字電位計(jì)和三個(gè)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(gè)系統(tǒng)內(nèi)是 5V，這個(gè)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器分辨率或 LSB大小就是 76.3μV。

電路動(dòng)作，使用三個(gè)8位數(shù)字電位計(jì)和三個(gè)CMOS運(yùn)算放大器來組成一個(gè)16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。有兩個(gè)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(gè)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(gè)架構(gòu)中，每個(gè)數(shù)字電位計(jì)被規(guī)劃為一個(gè)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(gè)數(shù)字電位計(jì)之中心抽頭端被連接至兩個(gè)當(dāng)緩沖器運(yùn)算放大器之非反向輸入端。在這個(gè)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(gè)運(yùn)算放大器輸出之變化振幅被規(guī)劃在不會(huì)超出第二級(jí)運(yùn)算放大器允許范圍內(nèi)。

要讓這個(gè)電路形成16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(U2a)，第三個(gè)數(shù)字電位計(jì)會(huì)在這兩個(gè)運(yùn)算放大器U4a與U4b之輸出范圍內(nèi)變動(dòng)。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(gè)別規(guī)劃為每一步19.61mV變化量。以此電壓跨在第三個(gè)8位數(shù)字電位計(jì)R3 上，使本電路最低有效位所對(duì)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(gè)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(gè)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。

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(hào)耦合到敏感藍(lán)色走線內(nèi)。

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)

在系統(tǒng)中，規(guī)劃數(shù)字電位計(jì)之?dāng)?shù)字訊號(hào)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(gè)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(gè)運(yùn)算放大器之輸出狀態(tài)間變動(dòng)。解決該問題之方式為將走線分開。

注:這個(gè)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。

注:這個(gè)新布線中16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器正顯示一個(gè)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(gè)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(gè)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。