目录：
一、引言
二、快速入门
三、导致失败的一步
四、布线的一般准则
1、器件放置
2、地和电源策略
3、信号走线
4、旁路电容的使用
五、PCB 设计检查表
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一、引言
本应用笔记最初采用 “食谱”的模式来描述 12 位转换器的良好布线方法。其原意是提供一个参考设计，以便用于各种布线实现。然而，这一想法却并不现实。可以采用很多成功的方法对 12 位模数 （Analog-to-Digital，A/D）转换器系统进行布线，而每种布线的实现都与电路中的器件数目、器件类型（数字或模拟器件）和最终产品所处的应用环境高度相关。考虑到所有这些变量，不难理解一种能够实现 12 位无噪声 A/D 采样系统的成功布线方案可能在另一种布线条件下完全失效。
由于上述问题的复杂性，该应用笔记将提供基本的准则，最后回顾一些应该注意的问题。该应用笔记中还提供了一些性能良好和蹩脚的电路布线实现示例。本文目的在于讨论概念，而不是为了将某种布线推荐为惟一可用的方案。
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二、快速入门
设想手头的任务是设计一个压力传感器电路。该电路能够精确地测量压力，并将结果显示在 LCD显示屏上。这似乎很容易。该系统的电路图如图 1 所示。所选压力传感器是一种由四个元件组成的桥式压电电阻式传感器。这种传感器需要电压激励。传感器的满幅输出是一个小的差分信号（几十毫伏） 。而最合适的方法是采用运算放大器结构对该差分信号进行增益放大，同时该运放还将传感器的差分输出转换为单端模拟信号。为与压力传感器精度相匹配，选择 12 位的转换器。一旦传感器将输入端的电压数字化，数字码就被送到单片机中。单片机主要完成校正和线性化的任务。在任务完成之后，结果将送至 LCD 显示器。
电路设计的最后一步是完成与压力传感器有关的校正和线性化任务。一旦这些问题都解决了，单片机固件即开发完成。现在可以对电路板进行布线了。
图 1 ： 这是一个压力传感器应用，其中，传感器的差分信号由仪表放大器产生，并用 12 位 A/D 转换器 MCP3201 对信号 进行数字化。转换结果显示在 LCD 显示器上。
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三、 导致失败的一步
该电路的尺寸似乎很容易确定。电路如此小以致可以尝试使用自动布线工具。如果使用这种工具，需要慎重。如果布线工具能对布线设计加以约束，那么布线就可能获得成功。如果自动布线工具不能施加约束条件，最好不要使用此工具。
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四、布线的一般准则
1、器件放置
器件的放置非常关键。通常，电路布线中存在一些对噪声敏感的器件而其他一些器件则是噪声问题的主要制造者。这里有一种方法可以帮助迅速地鉴别布线方案的优劣。
1）将电路中器件分成两类：高速器件 （>40 MHz）和低速器件。
2）将上述类型再分成三个子类型：纯数字、纯模拟和混合信号。
电路板的布线策略应符合图 2 所示的器件布线图。注意数字器件与模拟器件、高速器件与低速器件以及与电路板接插件之间的关系。
图 2：在精度高于 12 位的电路中，PCB 上有源元件的放 置非常重要。
从图 2b 可见，数字和模拟电路与距离接插件或电源最近的数字器件分开。 纯模拟器件离数字器件最远，以确保开关噪声不会耦合到模拟信号通道中。
不同技术对A/D转换器在布线中的处理方法不同。例如，若 A/D 转换器使用逐次逼近寄存器（Successive Approximation Register，SAR）的设计方法，则整个器件应连接到模拟电源平面和地平面上。通常容易犯的错误是将转换器跨接在模拟平面和数字平面上。这种方法可能有效，但随着 A/D 转换器的精度要求提高，来自数字地平面和电源平面的噪声将导致问题。对于高分辨率的 SAR 转换器，应该使用数字缓冲器将转换器与电路数字侧的总线隔离。
相反，如果 A/D 转换器设计时使用Δ - Σ技术，A/D 转换器应该跨接在模拟平面和数字平面上。这是由于Δ - Σ型转换器主要是一种数字集成电路。
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2、地和电源策略
一旦器件的大致位置确定下来，就可以定义地平面和电源平面了。这些平面的实现策略，是需要一些技巧的。 首先，在任何具有模拟和/或混合信号器件的电路中，没有地平面都是很危险的。接地噪声问题比电源噪声问题更难处理，因为模拟信号绝大部分是以地为参考点的。例如，在图 1 所示的电路中，A/D 转换器（MCP3201）的反相输入引脚接地。另外，压力传感器的负端也接地。图 1 中电路的布线如图 3 所示。这种布线在板上没有地平面或电源平面。
图 3：图 1 电路的顶层和底层布线图。注意这种布线没有地平面或电源平面。
采用这种电路布线，控制器专用于与转换器接口，并将转换器的结果送到 LCD 显示器。图 4 显示了一段时间内转换器的数字输出。这些数据是在没有在传感器上施加激励源的情况下收集到的。
图 4 ： 在没有地平面或电源平面的 PCB （如图 3 所示） 中，对 A/D 转换器输出 4096 次采样的柱状图。该电路中安装了旁路电容。
在确定电路板的接地策略时，需要立即解决的问题是要确定电路是否能在只有一个地平面的情况下正常工作或是需要多个平面。
除了增加一个地平面外，图 5 与图 3 的布线基本相同。 注意，地平面有几处被信号走线打断，应尽量减少被断开的次数。 电流回路不应被缩短，因为这些走线会限制从器件到电源接插件间的电流流动。A/D 转换器输出的柱状图如图 6 所示。与图 4 相比，输出码更加密集。
这两种测试使用了相同的有源器件。无源器件不同会导致较小的偏差。 A/D 转换器数字码中出现的噪声是由于运算放大器噪声和缺少抗混叠滤波器而引起的。
如果电路板中具有最少量的数字电路，可能只需要一个地平面和一个电源平面就可以了。限定词“最少”是由电路板设计人员定义的。把数字和模拟地平面连在一起的危险性在于，模拟电路会从电源引脚引入噪声，并将噪声耦合到信号通道中。在任何一种情况下，都应在电路的一点或多点上，将模拟电路和数字电路的地和电源连接在一起，以确保所有器件的电源、输入和输出标称值不被破坏。
在 12 位系统中，电源平面不象地平面那么重要。 尽管电源平面可以解决很多问题，但使电源走线比电路板上的其他走线宽两倍或三倍，以及有效使用旁路电容，就可以降低电源噪声。
图 5：图 1 中顶层和底层的布线图。注意这个 DOES 布线方案中有地平面。
图 6 ： 在有地平面的 PCB （如图 5 所示）上，对 A/D 转 换器输出 4096 次采样的柱状图。注意，为了降低电源走 线电感，电源走线比信号走线相对宽很多。本电路安装了所有的旁路电容。
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3、信号走线
一般来说，电路板（包括数字和模拟电路）上的信号走线应尽可能的短。这一基本准则将降低无关信号耦合到信号通道的可能性。
需特别注意的是模拟器件的输入端。这些输入端通常比输出或电源引脚具有更高的阻抗。
例如，模数转换器的参考电压输入引脚在进行转换期间最为敏感。对于图 1 所示的 12 位转换器，输入端（ IN+ 和 IN- ）对引入的噪声也很敏感。
运算放大器的输入端也可能在信号通道中引入噪声。这些端子的输入阻抗通常在 10 9 至 10 13 Ω 之间。这些高阻抗输入端对引入的电流较为敏感。如果从高阻抗输入端引出的走线靠近有快速变化电压的走线（如数字或时钟线），就会发生这种情况。当高阻抗走线靠近存在这种电压变化的走线时，电荷会通过分布电容耦合到高阻抗走线中。
图 7 ： 在 PCB 上将两条走线靠近放置，就会产生电容。 信号可以通过这种 PCB 电容在走线之间耦合。
如图 7 所示，两条走线间的电容值主要取决于走线间的距离（d）和两条走线保持平行的长度( L) 。根据这一模型，高阻抗走线中产生的电流等于： I = C δ V/ δ t
其中
I 表示高阻抗走线上的电流
C 表示两 PCB 走线之间的电容值
δ V 表示有开关动作的走线上电压的变化
δ t 表示电压从一个电平变化到另一个电平所用的时间
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4、旁路电容的使用
有关旁路电容的一个很好的原则是：在电路中始终包含旁路电容。如果没有使用旁路电容，电源噪声很可能使电路的精度达不到 12 位。可在电路板的如下两个位置放置旁路电容：一个电容（10 µ F 或 100 µ F ，或这两种电容）放置在电源侧，另一电容放置在每个有源器件（数字或模拟器件）旁边。加在器件上的旁路电容值取决于使用的器件。
如果器件的带宽小于或等于 1 MHz ，那么采用 1 µ F 的电容可以显著降低引入噪声。如果器件的带宽大于 10 MHz ， 0.1 µ F 的电容可能比较合适。如果器件带宽在这两个频率之间，可同时使用两种电容或使用其中任意一种。详细信息，可参考厂商的使用指南。
电路板上每一个有源器件都需要一个旁路电容。旁路电容必须尽量靠近器件的电源引脚放置，如图 5 所示。如果一个器件使用了两个旁路电容，则容值小的电容应该靠近器件引脚。而且，旁路电容的引脚应尽可能短。
为说明设置旁路电容的好处，在去除旁路电容的情况下，收集了图 5 中所示布线的数据。数据如图 8 所示。
图 8 ： 在有地平面的 PCB （如图 3 所示）上，对 A/D 转 换器输出 4096 次采样的柱状图。其中去除了所有的旁路 电容。
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五、PCB 设计检查表
如果熟悉相关的准则，不难掌握一个好的 12 位布线技巧：
1. 检查器件与接插件的相对位置。 确保高速器件和数字器件离接插件最近。
2. 电路中至少要有一个地平面。
3. 使电源走线比板上的其他走线宽。
4. 检查电流回路，寻找电路板接插件中可能的噪声源。这可 通过确定地平面所有节点的电流密度和
可能存在的噪声大小来实现。
5. 正确旁路所有器件，将电容尽可能靠近器件的电源引脚放置。
6. 使所有走线尽可能短。
7. 沿着所有的高阻抗走线逐条查找可能存在的电容耦合问题。
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