从事数字设计与数字布线专家的人数之增加反映出一趋势──工业处于领先地位。虽然数字设计是电子终端产品进步的指针，但数字电路仍需要接口至模拟电 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 中将探讨模拟与数字布线间的基本异同，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）。
旁路或反交连电容
就布线而言，模拟组件与数字组件皆需要此类电容。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组件（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，在模拟电路设计中，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，而进入敏感的模拟芯片。一般而言，这些高频讯号之频率会发生于模拟组件有能力抑制之频率以上。在模拟电路中不 使用旁路电容可能会发生后果为导致过度的噪声进到讯号路径中，甚至引起振荡。
对数字组件，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。通常在数字电路中，闸极状态切 换时会消耗大量的电流。因为在芯片上发生切换动作时，瞬时电流会通过芯片及整个电路板，故使用额外的充电来补充供应其所需是有帮助的。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，会导致数字信号位准进入不确定状态；甚至导致数字组件内的状态 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＝LI / t
在此V电压变化值
L＝电路板的走线电感
I＝通过走线的电流变化
t＝电流变化经过的时间
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组件的电源接脚上为好的作法。
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，因幅射噪声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。
接地面可能造成的问题
适用模拟电路以及数字电路板布线的基本考虑，基本法则为使用连续接地面。此惯例降低了数字电路中的 ?I/?t 影响（电流随时间造成的变化），因而降低接地噪声及其它噪声进入模拟电路中的可能性。数字与模拟电路的布线技术在本质上相同，但有一例外是──让数字讯号 线及接地面的返回路径，尽可能远离模拟电路。进行方式可藉由将模拟接地面单独连接到系统接地，或是将模拟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。对数字电路而言刚好相反，数字电路可容许接地面上较大量的噪声而不至于发生问题。
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，数字电路是有「很多」噪声的且对这类噪声的敏感度较低（因耐噪声度较大）。相 较之下，模拟电路的耐噪声度就小得多。比较这两种不同的电路，模拟电路对切换噪声最为敏感。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，让高频组件较接近电路板连接器
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 上下两层重迭或相邻放在同一层上。在这两种走线结构中，在一条走在线因时间产生的电压变化（?I/?t）可在另一条走在线产生感应电流。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，常发现数字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模拟走线，便会破坏模拟电路系统的准确性。所以，在混合讯号系统这个环境内，必须留意是：耐噪声度较数字电路为低，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。要注意变量「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量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迭或相邻放在同一层。在这两种走线结构中，一条走在线随时间改变的电流 （I/t）会因为走线本身的电感而在在线产生电压，并因互感而在另一走在线感应一定比例的电流。如果主要走在线的电压变化量够大的话，会引起干扰并导致数 字电路的耐噪声度降低，甚至造成误动作。该现象不是数字电路专有，但因为在数字的环境内，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噪声，最好的方式是将安静的模拟走线与吵杂的输入/输出埠隔开。想办法降低电源与接地网络的阻抗，让数字电路走线铜箔中的电感与模拟电路中电容耦合量降到最小。
结论
当设计中同时存在模拟与数字电路时，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，虽然数字与模拟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）
参考数据
[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.
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