Броят на цифровите дизайнери и експертите по проектиране на дигитални схема 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 вериги, които да интерфейнят с аналогови или реални среди. Стратегиите за окабеляване в аналоговите и цифровите полета имат някои прилики, но когато искате да получите по -добри резултати, поради различните им стратегии за окабеляване, простият дизайн на свързване вече не е оптималното решение.

Тази статия обсъжда основните прилики и разлики между аналогови и цифрови окабеляване по отношение на байпасните кондензатори, захранващите устройства, дизайна на заземяването, грешките на напрежението и електромагнитните смущения (EMI), причинени от окабеляване на печатни платки.

Броят на цифровите дизайнери и експертите по проектиране на дигитални схема 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 вериги, които да интерфейнят с аналогови или реални среди. Стратегиите за окабеляване в аналоговите и цифровите полета имат някои прилики, но когато искате да получите по -добри резултати, поради различните им стратегии за окабеляване, простият дизайн на свързване вече не е оптималното решение.

Тази статия обсъжда основните прилики и разлики между аналогови и цифрови окабеляване по отношение на байпасните кондензатори, захранващите устройства, дизайна на заземяването, грешките на напрежението и електромагнитните смущения (EMI), причинени от окабеляване на печатни платки.

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

В дизайна на аналогов проводник байпасните кондензатори обикновено се използват за заобикаляне на високочестотни сигнали на захранването. Ако не се добавят байпасни кондензатори, тези високочестотни сигнали могат да въведат чувствителни аналогови чипове чрез захранващите щифтове. Най-общо казано, честотата на тези високочестотни сигнали надвишава способността на аналоговите устройства да потискат високочестотни сигнали. Ако байпасният кондензатор не се използва в аналоговата верига, в пътя на сигнала може да се въведе шум и в по -сериозни случаи, той може дори да причини вибрации.

В аналоговия и цифровия дизайн на PCB, байпас или отделяне на кондензатори (0.1uf) трябва да бъдат поставени възможно най -близо до устройството. Кондензаторът за отделяне на захранване (10UF) трябва да бъде поставен на входа на електропровода на платката. Във всички случаи щифтовете на тези кондензатори трябва да са къси.

На платката на фигура 2 се използват различни маршрути за насочване на проводниците за захранване и заземяване. Поради това неправилно сътрудничество, електронните компоненти и вериги на платката са по -склонни да бъдат подложени на електромагнитни смущения.

В единичния панел на фигура 3 мощността и заземяващите проводници към компонентите на платката са близо един до друг. Съотношението на съвпадение на захранващата линия и наземната линия в тази платка е подходящо, както е показано на фигура 2. Вероятността на електронните компоненти и вериги в платката на платката се подлага на електромагнитна интерференция (EMI) се намалява с 679/12,8 пъти или около 54 пъти.
　　
За цифрови устройства като контролери и процесори също се изискват отделяне на кондензатори, но по различни причини. Една от функциите на тези кондензатори е да действат като „миниатюрна“ банка за такса.

В цифровите схеми обикновено се изисква голямо количество ток за извършване на превключване на състоянието на портата. Тъй като превключването на преходните токове се генерират върху чипа по време на превключване и поток през платката, е изгодно да имате допълнителни „резервни“ заряди. Ако няма достатъчно заряд при извършване на превключващото действие, напрежението на захранването ще се промени значително. Твърде голяма промяна на напрежението ще доведе до въвеждане на цифров сигнал за несигурно състояние и може да доведе до работа на държавата в цифровото устройство да работи неправилно.

Превключващият ток, преминаващ през следата на платката, ще доведе до промяна на напрежението, а проследяването на платката има паразитна индуктивност. Следващата формула може да се използва за изчисляване на промяната на напрежението: V = LDI/DT. Сред тях: V = Промяна на напрежението, L = Индуктивност на проследяването на платката, DI = Промяна на тока през следата, DT = Време за промяна на тока.
　　
Ето защо по много причини е по -добре да се прилагат байпасни (или отделяне) кондензатори при захранването или на захранващите щифтове на активни устройства.

Захранващият кабел и заземяващият провод трябва да се насочват заедно

Положението на захранващия кабел и заземяващия проводник са добре съчетани, за да се намали възможността за електромагнитни смущения. Ако захранващата линия и наземната линия не са правилно съпоставени, ще бъде проектиран системен цикъл и вероятно ще бъде генериран шум.

Пример за дизайн на PCB, при който захранващата линия и наземната линия не са правилно съпоставени, е показана на фигура 2. На тази платка, проектираната зона на контура е 697cm². Използвайки метода, показан на фигура 3, възможността за излъчен шум върху или изключване на напрежението, предизвикващо напрежението в контура, може да бъде значително намалена.

Разликата между аналоговите и цифровите стратегии за окабеляване

▍ Наземната равнина е проблем

Основните познания за окабеляването на платката са приложими както за аналогови, така и за цифрови схеми. Основно правило е да се използва непрекъсната наземна равнина. Този здрав разум намалява ефекта на DI/DT (промяна във тока с времето) в цифровите схеми, който променя потенциала на земята и причинява шум да навлиза в аналогови вериги.

Техниките за окабеляване за цифрови и аналогови схеми са основно еднакви, с едно изключение. За аналоговите схеми има още един момент, който трябва да се отбележи, тоест поддържайте цифровите сигнални линии и бримки в земната равнина възможно най -далеч от аналоговите вериги. Това може да се постигне чрез свързване на аналоговата заземна равнина към системната заземна връзка поотделно или поставянето на аналоговата верига в далечния край на платката, която е краят на линията. Това се прави, за да се сведе до минимум външната намеса на пътя на сигнала.

Не е необходимо да се прави това за цифрови вериги, които могат да понасят много шум в земята на земята без проблеми.

Фигура 4 (вляво) изолира действието на цифровото превключване от аналоговата схема и отделя цифровите и аналоговите части на веригата. (Вдясно) Високата честота и ниската честота трябва да бъдат разделени колкото е възможно повече, а високочестотните компоненти трябва да са близо до съединителите на платката.

Фигура 5 Оформление Две близки следи на PCB, лесно е да се образува паразитен капацитет. Поради съществуването на този вид капацитет, бързата промяна на напрежението на една следа може да генерира ток сигнал на другата следа.

Фигура 6 Ако не обърнете внимание на поставянето на следите, следите в PCB могат да доведат до индуктивност на линията и взаимна индуктивност. Тази паразитна индуктивност е много вредна за работата на вериги, включително цифрови схеми за превключване.

▍Component Местоположение

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

От двете, аналоговите схеми са най -чувствителните към превключващия шум. В окабеляването на система със смесен сигнал тези две вериги трябва да бъдат разделени, както е показано на фигура 4.
　　
▍Parasitic компоненти, генерирани от PCB дизайн

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

При проектиране на 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 другия следа; или на същия слой поставете една следа до другата следа, както е показано на фигура 5.
　　
В тези две конфигурации на следите промените в напрежението във времето (DV/DT) на една следа могат да причинят ток на другата следа. Ако другата следа е висока импеданс, токът, генериран от електрическото поле, ще бъде преобразуван в напрежение.
　　
Бързи преходни напрежения най -често се срещат от цифровата страна на дизайна на аналоговия сигнал. Ако следите с преходни преходни напрежения са близки до аналоговите следи с висок импеданс, тази грешка сериозно ще повлияе на точността на аналоговата верига. В тази среда аналоговите схеми имат два недостатъка: техният толеранс на шума е много по -нисък от този на цифровите вериги; 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 увеличаването на D капацитивната реактивност ще намалее. Друга променлива, която може да бъде променена, е дължината на двете следи. В този случай дължината L намалява и капацитивната реактивност между двете следи също ще намалее.
　　
Друга техника е да се поставят земна жица между тези две следи. Заземният проводник е с нисък импеданс и добавянето на друга следа като тази ще отслаби електрическото поле на смущения, както е показано на фигура 5.
　　
Принципът на паразитна индуктивност в платката е подобен на този на паразитния капацитет. Освен това е да се изложат две следи. На два различни слоя поставете една следа върху другата следа; или на същия слой поставете една следа до другия, както е показано на фигура 6.

В тези две конфигурации на окабеляване текущата промяна (DI/DT) на следа с времето, поради индуктивността на тази следа, ще генерира напрежение на една и съща следа; и поради съществуването на взаимна индуктивност, той ще се генерира пропорционален ток на другата следа. Ако промяната на напрежението на първата следа е достатъчно голяма, смущения може да намали толеранса на напрежението на цифровата верига и да причини грешки. Това явление се среща не само в цифрови схеми, но това явление е по -често в цифровите вериги поради големите мигновени превключващи токове в цифровите вериги.
　　
За да се елиминира потенциалния шум от източниците на електромагнитни смущения, най -добре е да отделите „тихи“ аналогови линии от шумни I/O портове. За да се опитате да постигнете ниско-импеданс мощност и наземна мрежа, индуктивността на цифровите вериги трябва да бъде сведена до минимум и капацитивното свързване на аналоговите вериги трябва да бъде сведено до минимум.
　　
03

Заключение

След определяне на цифровите и аналоговите диапазони, внимателното маршрутизиране е от съществено значение за успешния ПХБ. Стратегията за окабеляване обикновено се въвежда на всички като правило, тъй като е трудно да се тества крайния 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 признати и взети сериозно.