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数字电路设计与模拟电路设计的区别


数字电路设计与模拟电路设计的区别有许多,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电路设计和模拟电路设计领域中都能完成所有工作的简单时期。如今,您无法摆脱在复杂的电子产品中运行纯数字或模拟系统的麻烦。混合信号PCB是很普遍的做法,使得旧的布局策略已过时。

我们生活在一个非线性的模拟世界中,事物在纸上才真正变成数字或线性的。模拟电路设计和数字电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。使用正确的布局策略可以帮助确保来自模拟和数字集成电路(IC)的信号保持干净并且不会互相干扰。

线性与非线性IC

模拟IC有线性和非线性两种。模拟线性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,则与它们相关的曲线将是一条直线。非线性模拟IC并非如此。信号输出的曲线将不是直线。这些IC的输出信号通常在高输入电压下表现出饱和。

呈现非线性输出的电路元件的两个常见示例是晶体管和二极管。二极管的输出是输入电压的指数函数。对于晶体管,输出信号最初在低输入电压下是线性的,但是一旦输入电压足够大,输出很快就会饱和到恒定输出。

非线性模拟IC可以在时间上表现出非线性响应,同时在输出信号中仍然表现出线性响应。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。一种非线性地作用于输入交流信号的常见模拟集成电路是放大器电路。放大器电路的压摆率(即每单位时间的最大输出电压变化)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。

大多数带有非线性元件的电路都不容易进行分析检查,这意味着必须以数字方式计算电路中的电流和电压。无论您使用的是模拟IC还是数字IC(或同时使用这两者),出色的仿真套件都可以帮助您建模和验证设备的功能。

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。对于具有给定开关频率的数字信号,与具有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的频率上。加上数字电路中的众多噪声源,模拟和数字集成电路中的噪声系数可能会更高。

根据IC中电路元件的混合方式,模拟IC的输出信号可能会表现出强烈的非线性。同时,数字IC从定义上说是非线性的,逻辑处理电路实际上是分段非线性的。因为在任何信号中都不可避免地会产生噪声,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)。

无论您使用数字IC还是模拟IC,都应始终使用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,如果要使用带通滤波器消除正弦信号中的白噪声,则只能滤除远离带中心的频率处的噪声。使用久经考验的布局实践可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上使用模拟和数字IC时,需要将电路板分成模拟和数字功能块。电路板的模拟部分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在其自己的接地平面上布线。单个接地层可以在仍然连接的情况下分成数字部分和模拟部分。连接这两个平面的最佳位置是在电源附近。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,在任何一个区域中感应出的噪声都必须遵循电抗最小的路径,回到连接的区域,最后回到电源。

布局中数字和模拟接地平面部分之间的分隔距离也很重要。即使两个接地平面是平坦的,它们仍会电容耦合,因此一个部分中的噪声仍可以耦合到另一部分中。通常,如果空间允许,您应该选择更大的间距,因为这样会减小等效电容,从而增加接地层之间的等效阻抗。


您的模拟和数字组件可以和谐相处

如果使用混合信号IC,则会遇到问题,因为您需要将它们同时放在模拟和数字接地部分。较旧的IC并未将混合信号IC上的模拟和数字引脚完全分离到双列直插式封装(DIP)的每一侧。值得庆幸的是,较新的IC以此方式将引脚分开,从而使您可以将IC安装在两个接地平面上。在这种情况下,封装的大小将限制接地平面之间的距离。最好的PCB设计软件包使处理模拟,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,则您将能够评估设计中的潜在噪声问题,并在电路板下线之前解决这些问题。

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