في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور، لماذا يكون الفرق بين الدائرة التناظرية والدائرة الرقمية كبيرًا جدًا؟

يتزايد باستمرار عدد المصممين الرقميين وخبراء تصميم لوحات الدوائر الرقمية في المجال الهندسي، مما يعكس اتجاه تطور الصناعة. على الرغم من أن التركيز على التصميم الرقمي قد أدى إلى تطورات كبيرة في المنتجات الإلكترونية، إلا أنه لا يزال موجودًا، وسيكون هناك دائمًا بعض تصميمات الدوائر التي تتفاعل مع البيئات التناظرية أو الحقيقية. هناك بعض أوجه التشابه بين استراتيجيات الأسلاك في المجالات التناظرية والرقمية، ولكن عندما ترغب في الحصول على نتائج أفضل، نظرًا لاستراتيجيات الأسلاك المختلفة، لم يعد تصميم أسلاك الدوائر البسيطة هو الحل الأمثل.

تتناول هذه المقالة أوجه التشابه والاختلاف الأساسية بين الأسلاك التناظرية والرقمية من حيث المكثفات الالتفافية وإمدادات الطاقة والتصميم الأرضي وأخطاء الجهد والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) الناجم عن أسلاك ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

تعد إضافة مكثفات تجاوز أو فصل على لوحة الدائرة وموقع هذه المكثفات على اللوحة أمرًا منطقيًا للتصميمات الرقمية والتناظرية. لكن المثير للاهتمام أن الأسباب مختلفة.

في تصميم الأسلاك التناظرية، تُستخدم عادةً المكثفات الالتفافية لتجاوز الإشارات عالية التردد على مصدر الطاقة. إذا لم تتم إضافة المكثفات الالتفافية، فقد تدخل هذه الإشارات عالية التردد إلى شرائح تناظرية حساسة من خلال منافذ إمداد الطاقة. وبشكل عام، فإن تردد هذه الإشارات عالية التردد يتجاوز قدرة الأجهزة التناظرية على قمع الإشارات عالية التردد. إذا لم يتم استخدام مكثف الالتفافية في الدائرة التناظرية، فقد يتم إدخال ضوضاء في مسار الإشارة، وفي الحالات الأكثر خطورة، قد يسبب ذلك اهتزازًا.

في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور التناظري والرقمي، يجب وضع مكثفات الالتفافية أو الفصل (0.1 فائق التوهج) في أقرب مكان ممكن من الجهاز. يجب وضع مكثف فصل مصدر الطاقة (10 فائق التوهج) عند مدخل خط الطاقة بلوحة الدائرة. وفي جميع الأحوال يجب أن تكون أطراف هذه المكثفات قصيرة.

على لوحة الدائرة في الشكل 2، يتم استخدام مسارات مختلفة لتوجيه أسلاك الطاقة والأسلاك الأرضية. وبسبب هذا التعاون غير السليم، من المرجح أن تتعرض المكونات والدوائر الإلكترونية الموجودة على لوحة الدائرة للتداخل الكهرومغناطيسي.

في اللوحة المفردة في الشكل 3، تكون أسلاك الطاقة والأسلاك الأرضية للمكونات الموجودة على لوحة الدائرة قريبة من بعضها البعض. تعتبر نسبة المطابقة لخط الطاقة والخط الأرضي في لوحة الدائرة هذه مناسبة كما هو موضح في الشكل 2. يتم تقليل احتمالية تعرض المكونات والدوائر الإلكترونية في لوحة الدائرة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بمقدار 679/12.8 مرة أو حوالي 54 مرة.
　　
بالنسبة للأجهزة الرقمية مثل وحدات التحكم والمعالجات، تكون مكثفات الفصل مطلوبة أيضًا، ولكن لأسباب مختلفة. إحدى وظائف هذه المكثفات هي العمل كبنك شحن "مصغر".

في الدوائر الرقمية، عادة ما تكون هناك حاجة إلى كمية كبيرة من التيار لإجراء تبديل حالة البوابة. نظرًا لأنه يتم إنشاء تيارات تبديل عابرة على الشريحة أثناء التبديل وتتدفق عبر لوحة الدائرة، فمن المفيد الحصول على رسوم "احتياطية" إضافية. إذا لم يكن هناك شحن كافٍ عند إجراء عملية التبديل، فسوف يتغير جهد مصدر الطاقة بشكل كبير. سيؤدي التغيير الكبير في الجهد إلى دخول مستوى الإشارة الرقمية في حالة غير مؤكدة، وقد يتسبب في عمل جهاز الحالة في الجهاز الرقمي بشكل غير صحيح.

سوف يتسبب تيار التحويل الذي يتدفق عبر تتبع لوحة الدائرة في تغيير الجهد، ويكون لتتبع لوحة الدائرة محاثة طفيلية. يمكن استخدام الصيغة التالية لحساب تغير الجهد: V = LdI/dt. من بينها: V = تغير الجهد، L = محاثة تتبع لوحة الدائرة، dI = التغير الحالي من خلال التتبع، dt = وقت التغيير الحالي.
　　
لذلك، لأسباب عديدة، من الأفضل استخدام مكثفات الالتفافية (أو فصل) عند مصدر الطاقة أو عند منافذ مصدر الطاقة للأجهزة النشطة.

يجب توجيه سلك الطاقة والسلك الأرضي معًا

إن موضع سلك الطاقة والسلك الأرضي متطابقان جيدًا لتقليل احتمالية التداخل الكهرومغناطيسي. إذا لم يكن خط الكهرباء والخط الأرضي متطابقين بشكل صحيح، فسيتم تصميم حلقة النظام ومن المحتمل أن يتم توليد الضوضاء.

يظهر في الشكل 2 مثال على تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور حيث لا يتطابق خط الطاقة والخط الأرضي بشكل صحيح. في لوحة الدائرة هذه، تبلغ مساحة الحلقة المصممة 697 سم مربع. باستخدام الطريقة الموضحة في الشكل 3، يمكن تقليل احتمالية حدوث ضوضاء مشعة داخل أو خارج لوحة الدائرة التي تسبب الجهد الكهربي في الحلقة بشكل كبير.

الفرق بين استراتيجيات الأسلاك التناظرية والرقمية

▍الطائرة الأرضية مشكلة

تنطبق المعرفة الأساسية بأسلاك لوحات الدوائر على كل من الدوائر التناظرية والرقمية. القاعدة الأساسية هي استخدام مستوى أرضي غير متقطع. هذا المنطق السليم يقلل من تأثير dI/dt (التغير في التيار مع مرور الوقت) في الدوائر الرقمية، والذي يغير جهد الأرض ويتسبب في دخول الضوضاء إلى الدوائر التناظرية.

تقنيات توصيل الأسلاك للدوائر الرقمية والتناظرية هي نفسها بشكل أساسي، مع استثناء واحد. بالنسبة للدوائر التناظرية، هناك نقطة أخرى يجب ملاحظتها، وهي الحفاظ على خطوط وحلقات الإشارة الرقمية في المستوى الأرضي بعيدًا عن الدوائر التناظرية قدر الإمكان. يمكن تحقيق ذلك عن طريق توصيل المستوى الأرضي التناظري بالاتصال الأرضي للنظام بشكل منفصل، أو وضع الدائرة التناظرية في أقصى نهاية لوحة الدائرة، وهو نهاية الخط. يتم ذلك لتقليل التداخل الخارجي على مسار الإشارة إلى الحد الأدنى.

ليست هناك حاجة للقيام بذلك بالنسبة للدوائر الرقمية، والتي يمكنها تحمل الكثير من الضوضاء على المستوى الأرضي دون مشاكل.

الشكل 4 (يسار) يعزل إجراء التبديل الرقمي عن الدائرة التناظرية ويفصل الأجزاء الرقمية والتناظرية للدائرة. (يمين) يجب فصل التردد العالي والتردد المنخفض قدر الإمكان، ويجب أن تكون المكونات عالية التردد قريبة من موصلات لوحة الدائرة.

الشكل 5: تخطيط أثرين وثيقين على ثنائي الفينيل متعدد الكلور، فمن السهل تشكيل السعة الطفيلية. ونظرًا لوجود هذا النوع من السعة، فإن التغير السريع في الجهد على أحد المسارين يمكن أن يولد إشارة تيار على المسار الآخر.

الشكل 6 إذا لم تنتبه إلى موضع الآثار، فقد تنتج الآثار الموجودة في PCB محاثة خطية ومحاثة متبادلة. هذا الحث الطفيلي ضار جدًا بتشغيل الدوائر بما في ذلك دوائر التبديل الرقمية.

▍موقع المكون

كما ذكر أعلاه، في كل تصميم لثنائي الفينيل متعدد الكلور، يجب فصل جزء الضوضاء من الدائرة والجزء "الهادئ" (الجزء غير الضوضاء). بشكل عام، الدوائر الرقمية "غنية" بالضوضاء وغير حساسة للضوضاء (لأن الدوائر الرقمية لديها قدرة أكبر على تحمل ضوضاء الجهد)؛ على العكس من ذلك، فإن تحمل ضوضاء الجهد للدوائر التناظرية أصغر بكثير.

من بين هاتين الدارتين، تعد الدوائر التناظرية هي الأكثر حساسية لتبديل الضوضاء. في توصيلات نظام الإشارات المختلطة، يجب فصل هاتين الدائرتين، كما هو موضح في الشكل 4.
　　
▍المكونات الطفيلية الناتجة عن تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يتم تشكيل عنصرين طفيليين أساسيين قد يسببان مشاكل بسهولة في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور: السعة الطفيلية والتحريض الطفيلي.

عند تصميم لوحة دوائر، فإن وضع أثرين قريبين من بعضهما البعض سيولد سعة طفيلية. يمكنك القيام بذلك: على طبقتين مختلفتين، ضع أثرًا واحدًا فوق الأثر الآخر؛ أو على نفس الطبقة، ضع أثرًا بجوار الأثر الآخر، كما هو موضح في الشكل 5.
　　
في هذين التكوينين، قد تؤدي التغيرات في الجهد مع مرور الوقت (dV/dt) على أحد المسارين إلى حدوث تيار على المسار الآخر. إذا كان الأثر الآخر عبارة عن مقاومة عالية، فسيتم تحويل التيار الناتج عن المجال الكهربائي إلى جهد.
　　
غالبًا ما تحدث حالات انتقال الجهد السريع على الجانب الرقمي من تصميم الإشارة التناظرية. إذا كانت الآثار ذات الجهد العابر السريع قريبة من الآثار التناظرية ذات المعاوقة العالية، فإن هذا الخطأ سيؤثر بشكل خطير على دقة الدائرة التناظرية. في هذه البيئة، للدوائر التناظرية عيبان: تحملها للضوضاء أقل بكثير من الدوائر الرقمية؛ وآثار المعاوقة العالية أكثر شيوعًا.
　　
إن استخدام إحدى الطريقتين التاليتين يمكن أن يقلل من هذه الظاهرة. الأسلوب الأكثر استخدامًا هو تغيير الحجم بين الآثار وفقًا لمعادلة السعة. الحجم الأكثر فعالية للتغيير هو المسافة بين التتبعين. تجدر الإشارة إلى أن المتغير d موجود في مقام معادلة السعة. كلما زادت d، ستقل المفاعلة السعوية. المتغير الآخر الذي يمكن تغييره هو طول التتبعين. في هذه الحالة، يتناقص الطول L، كما تنخفض المفاعلة السعوية بين المسارين.
　　
أسلوب آخر هو وضع سلك أرضي بين هذين الأثرين. السلك الأرضي ذو مقاومة منخفضة، وإضافة أثر آخر مثل هذا سوف يضعف المجال الكهربائي للتداخل، كما هو مبين في الشكل 5.
　　
مبدأ الحث الطفيلي في لوحة الدائرة يشبه مبدأ السعة الطفيلية. ومنه أيضًا وضع أثرين. على طبقتين مختلفتين، ضع أثرًا واحدًا فوق الأثر الآخر؛ أو على نفس الطبقة، ضع أثرًا بجانب الآخر، كما هو موضح في الشكل 6.

في هذين التكوينين من الأسلاك، فإن التغير الحالي (dI/dt) للأثر مع مرور الوقت، بسبب محاثة هذا التتبع، سوف يولد جهدًا على نفس الأثر؛ ونظراً لوجود الحث المتبادل، فإنه سيتم توليد تيار متناسب على المسار الآخر. إذا كان تغير الجهد في المسار الأول كبيرًا بدرجة كافية، فقد يؤدي التداخل إلى تقليل تحمل الجهد للدائرة الرقمية ويسبب أخطاء. ولا تحدث هذه الظاهرة في الدوائر الرقمية فقط، بل إن هذه الظاهرة أكثر شيوعاً في الدوائر الرقمية بسبب تيارات التبديل اللحظية الكبيرة في الدوائر الرقمية.
　　
للتخلص من الضوضاء المحتملة الناتجة عن مصادر التداخل الكهرومغناطيسي، من الأفضل فصل الخطوط التناظرية "الهادئة" عن منافذ الإدخال/الإخراج المزعجة. لمحاولة تحقيق شبكة طاقة وأرضية ذات مقاومة منخفضة، يجب تقليل محاثة أسلاك الدوائر الرقمية، ويجب تقليل الاقتران السعوي للدوائر التناظرية.
　　
03

خاتمة

بعد تحديد النطاقات الرقمية والتناظرية، يعد التوجيه الدقيق أمرًا ضروريًا لثنائي الفينيل متعدد الكلور الناجح. عادةً ما يتم تقديم استراتيجية التوصيل للجميع كقاعدة عامة، لأنه من الصعب اختبار النجاح النهائي للمنتج في بيئة معملية. لذلك، على الرغم من أوجه التشابه في استراتيجيات توصيل الأسلاك للدوائر الرقمية والتناظرية، إلا أنه يجب التعرف على الاختلافات في استراتيجيات توصيل الأسلاك الخاصة بها وأخذها على محمل الجد.