Броят на цифровите дизайнери и експертите по проектиране на цифрови платки в областта на инженерството непрекъснато се увеличава, което отразява тенденцията на развитие на индустрията. Въпреки че акцентът върху дигиталния дизайн доведе до големи разработки в електронните продукти, той все още съществува и винаги ще има някои дизайни на схеми, които взаимодействат с аналогова или реална среда. Стратегиите за окабеляване в аналоговата и цифровата област имат някои прилики, но когато искате да получите по-добри резултати, поради различните им стратегии за окабеляване, простият дизайн на окабеляване вече не е оптималното решение.

Тази статия обсъжда основните прилики и разлики между аналогово и цифрово окабеляване по отношение на байпасни кондензатори, захранвания, дизайн на земята, грешки в напрежението и електромагнитни смущения (EMI), причинени от окабеляване на печатни платки.

Броят на цифровите дизайнери и експертите по проектиране на цифрови платки в областта на инженерството непрекъснато се увеличава, което отразява тенденцията на развитие на индустрията. Въпреки че акцентът върху дигиталния дизайн доведе до големи разработки в електронните продукти, той все още съществува и винаги ще има някои дизайни на схеми, които взаимодействат с аналогова или реална среда. Стратегиите за окабеляване в аналоговата и цифровата област имат някои прилики, но когато искате да получите по-добри резултати, поради различните им стратегии за окабеляване, простият дизайн на окабеляване вече не е оптималното решение.

Тази статия обсъжда основните прилики и разлики между аналогово и цифрово окабеляване по отношение на байпасни кондензатори, захранвания, дизайн на земята, грешки в напрежението и електромагнитни смущения (EMI), причинени от окабеляване на печатни платки.

Добавянето на байпасни или отделящи кондензатори на платката и местоположението на тези кондензатори на платката са здрав разум за цифрови и аналогови дизайни. Но интересното е, че причините са различни.

При проектирането на аналогово окабеляване байпасните кондензатори обикновено се използват за байпас на високочестотни сигнали на захранването. Ако не се добавят байпасни кондензатори, тези високочестотни сигнали могат да влязат в чувствителни аналогови чипове през щифтовете на захранването. Най-общо казано, честотата на тези високочестотни сигнали надвишава способността на аналоговите устройства да потискат високочестотните сигнали. Ако байпасният кондензатор не се използва в аналоговата верига, в пътя на сигнала може да се въведе шум, а в по-сериозни случаи може дори да причини вибрации.

При дизайна на аналогови и цифрови печатни платки, байпасните или разделителните кондензатори (0,1uF) трябва да се поставят възможно най-близо до устройството. Кондензаторът за разделяне на захранването (10uF) трябва да бъде поставен на входа на електропровода на печатната платка. Във всички случаи изводите на тези кондензатори трябва да са къси.

На платката на фигура 2 се използват различни маршрути за насочване на захранващите и заземяващите проводници. Поради това неправилно сътрудничество е по-вероятно електронните компоненти и вериги на печатната платка да бъдат обект на електромагнитни смущения.

В единичния панел на Фигура 3 захранващият и заземяващият проводник към компонентите на печатната платка са близо един до друг. Съотношението на съвпадение на захранващата линия и заземителната линия в тази платка е подходящо, както е показано на фигура 2. Вероятността електронните компоненти и вериги в платката да бъдат подложени на електромагнитни смущения (EMI) е намалена с 679/12,8 пъти или около 54 пъти.
　　
За цифрови устройства като контролери и процесори също са необходими отделящи кондензатори, но по различни причини. Една от функциите на тези кондензатори е да действат като "миниатюрна" банка за зареждане.

В цифровите схеми обикновено се изисква голямо количество ток, за да се извърши превключване на състоянието на портата. Тъй като комутационните преходни токове се генерират на чипа по време на превключване и протичат през платката, е изгодно да имате допълнителни „резервни“ заряди. Ако няма достатъчно заряд при извършване на превключващото действие, захранващото напрежение ще се промени значително. Твърде голяма промяна на напрежението ще накара нивото на цифровия сигнал да влезе в несигурно състояние и може да доведе до неправилна работа на автомата на състоянието в цифровото устройство.

Превключващият ток, протичащ през следата на платката, ще доведе до промяна на напрежението, а следата на платката има паразитна индуктивност. Следната формула може да се използва за изчисляване на промяната на напрежението: V = LdI/dt. Сред тях: V = промяна на напрежението, L = индуктивност на следата на платката, dI = промяна на тока през следата, dt = време за промяна на тока.
　　
Следователно, поради много причини, е по-добре да се прилагат байпасни (или разделящи) кондензатори към захранването или към захранващите щифтове на активните устройства.

Захранващият кабел и заземителният проводник трябва да бъдат прекарани заедно

Позицията на захранващия кабел и заземяващия проводник са добре съчетани, за да се намали възможността от електромагнитни смущения. Ако захранващата линия и заземителната линия не са правилно съвпадащи, ще бъде проектиран системен контур и вероятно ще се генерира шум.

Пример за дизайн на печатна платка, където захранващата линия и заземителната линия не са правилно съвпадащи, е показан на Фигура 2. На тази печатна платка проектираната площ на контура е 697 cm². Използвайки метода, показан на Фигура 3, възможността за излъчен шум върху или извън печатната платка, предизвикващ напрежение във веригата, може да бъде значително намалена.

Разликата между аналоговите и цифровите стратегии за окабеляване

▍Заземената равнина е проблем

Основните познания за окабеляване на печатни платки са приложими както за аналогови, така и за цифрови схеми. Основно правило е да се използва непрекъсната заземена равнина. Този здрав разум намалява ефекта dI/dt (промяна на тока с времето) в цифровите вериги, който променя земния потенциал и причинява навлизане на шум в аналогови вериги.

Техниките за окабеляване за цифрови и аналогови вериги са основно еднакви, с едно изключение. За аналоговите вериги има още една точка, която трябва да се отбележи, а именно, дръжте цифровите сигнални линии и вериги в заземителната равнина възможно най-далече от аналоговите вериги. Това може да се постигне чрез отделно свързване на аналоговата заземителна равнина към заземителната връзка на системата или поставяне на аналоговата верига в далечния край на печатната платка, който е краят на линията. Това се прави, за да се сведе до минимум външната намеса по пътя на сигнала.

Няма нужда да се прави това за цифрови схеми, които могат да понасят много шум на заземената повърхност без проблеми.

Фигура 4 (вляво) изолира цифровото превключване от аналоговата верига и разделя цифровата и аналоговата част на веригата. (Вдясно) Високочестотните и ниските честоти трябва да бъдат разделени колкото е възможно повече, а високочестотните компоненти трябва да са близо до конекторите на печатната платка.

Фигура 5 Разположение на две близки следи на печатната платка, лесно е да се формира паразитен капацитет. Поради съществуването на този вид капацитет, бърза промяна на напрежението на една следа може да генерира токов сигнал на другата следа.

Фигура 6 Ако не обърнете внимание на разположението на следите, следите в PCB може да произведат линейна индуктивност и взаимна индуктивност. Тази паразитна индуктивност е много вредна за работата на вериги, включително цифрови превключващи вериги.

▍Местоположение на компонента

Както бе споменато по-горе, във всеки дизайн на печатна платка, шумовата част на веригата и "тихата" част (част без шум) трябва да бъдат разделени. Най-общо казано, цифровите схеми са „богати“ на шум и са нечувствителни към шум (тъй като цифровите схеми имат по-голям толеранс на шума на напрежението); напротив, толерансът на шума на напрежението на аналоговите схеми е много по-малък.

От двете аналоговите схеми са най-чувствителни към шум при превключване. При окабеляването на система със смесени сигнали тези две вериги трябва да бъдат разделени, както е показано на фигура 4.
　　
▍Паразитни компоненти, генерирани от дизайна на PCB

Два основни паразитни елемента, които могат да причинят проблеми, се формират лесно в дизайна на печатни платки: паразитен капацитет и паразитна индуктивност.

Когато проектирате платка, поставянето на две следи близо една до друга ще генерира паразитен капацитет. Можете да направите това: На два различни слоя поставете една следа върху другата следа; или върху същия слой, поставете една следа до друга следа, както е показано на Фигура 5.
　　
В тези две конфигурации на трасетата промените в напрежението във времето (dV/dt) на една трасе може да предизвикат ток на другата трасе. Ако другата следа е с висок импеданс, токът, генериран от електрическото поле, ще се преобразува в напрежение.
　　
Бързите преходни процеси на напрежение най-често възникват от цифровата страна на дизайна на аналоговия сигнал. Ако следите с бързи преходни процеси на напрежението са близки до аналогови следи с висок импеданс, тази грешка ще повлияе сериозно на точността на аналоговата верига. В тази среда аналоговите схеми имат два недостатъка: тяхната устойчивост на шум е много по-ниска от тази на цифровите схеми; и следите с висок импеданс са по-чести.
　　
Използването на една от следните две техники може да намали това явление. Най-често използваната техника е да се промени размерът между следите според уравнението на капацитета. Най-ефективният размер за промяна е разстоянието между двете следи. Трябва да се отбележи, че променливата d е в знаменателя на уравнението на капацитета. С увеличаване на d, капацитивното съпротивление ще намалее. Друга променлива, която може да бъде променена, е дължината на двете следи. В този случай дължината L намалява и капацитивното съпротивление между двете следи също ще намалее.
　　
Друга техника е да поставите заземяващ проводник между тези две следи. Заземителният проводник е с нисък импеданс и добавянето на друга следа като тази ще отслаби интерферентното електрическо поле, както е показано на фигура 5.
　　
Принципът на паразитната индуктивност в платката е подобен на този на паразитния капацитет. Също така е да поставите две следи. На два различни слоя поставете една следа върху другата следа; или върху същия слой, поставете една следа до друга, както е показано на фигура 6.

В тези две конфигурации на окабеляване, промяната на тока (dI/dt) на следа с времето, поради индуктивността на тази следа, ще генерира напрежение на същата следа; и поради наличието на взаимна индуктивност, ще се генерира пропорционален ток на другата следа. Ако промяната на напрежението на първата следа е достатъчно голяма, смущението може да намали толеранса на напрежението на цифровата верига и да причини грешки. Това явление не се среща само в цифровите схеми, но това явление е по-често срещано в цифровите схеми поради големите мигновени токове на превключване в цифровите схеми.
　　
За да елиминирате потенциалния шум от източници на електромагнитни смущения, най-добре е да отделите „тихите“ аналогови линии от шумните I/O портове. За да се опитате да постигнете захранваща и заземителна мрежа с нисък импеданс, индуктивността на проводниците на цифровата верига трябва да бъде сведена до минимум, а капацитивното свързване на аналоговите вериги трябва да бъде сведено до минимум.
　　
03

Заключение

След като се определят цифровите и аналоговите диапазони, внимателното маршрутизиране е от съществено значение за успешната печатна платка. Стратегията за окабеляване обикновено се представя на всички като правило, тъй като е трудно да се тества крайният успех на продукта в лабораторна среда. Следователно, въпреки приликите в стратегиите за окабеляване на цифровите и аналоговите схеми, разликите в техните стратегии за окабеляване трябва да бъдат разпознати и взети на сериозно.