পিসিবি ডিজাইনে, এনালগ সার্কিট এবং ডিজিটাল সার্কিটের মধ্যে পার্থক্য কেন এত বড়?

প্রকৌশল ক্ষেত্রে ডিজিটাল ডিজাইনার এবং ডিজিটাল সার্কিট বোর্ড ডিজাইন বিশেষজ্ঞের সংখ্যা ক্রমাগত বৃদ্ধি পাচ্ছে, যা শিল্পের বিকাশের প্রবণতাকে প্রতিফলিত করে। যদিও ডিজিটাল ডিজাইনের উপর জোর দেওয়া ইলেকট্রনিক পণ্যগুলিতে বড় উন্নয়ন নিয়ে এসেছে, এটি এখনও বিদ্যমান, এবং সর্বদা কিছু সার্কিট ডিজাইন থাকবে যা অ্যানালগ বা বাস্তব পরিবেশের সাথে ইন্টারফেস করে। অ্যানালগ এবং ডিজিটাল ক্ষেত্রে তারের কৌশলগুলির কিছু মিল রয়েছে, কিন্তু আপনি যখন আরও ভাল ফলাফল পেতে চান, তাদের বিভিন্ন তারের কৌশলগুলির কারণে, সাধারণ সার্কিট তারের নকশা আর সর্বোত্তম সমাধান নয়।

এই নিবন্ধটি বাইপাস ক্যাপাসিটর, পাওয়ার সাপ্লাই, গ্রাউন্ড ডিজাইন, ভোল্টেজ ত্রুটি এবং PCB ওয়্যারিং দ্বারা সৃষ্ট ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক হস্তক্ষেপ (EMI) পরিপ্রেক্ষিতে এনালগ এবং ডিজিটাল তারের মধ্যে মৌলিক মিল এবং পার্থক্য নিয়ে আলোচনা করে।

সার্কিট বোর্ডে বাইপাস বা ডিকপলিং ক্যাপাসিটর যোগ করা এবং বোর্ডে এই ক্যাপাসিটরগুলির অবস্থান ডিজিটাল এবং অ্যানালগ ডিজাইনের জন্য সাধারণ জ্ঞান। কিন্তু মজার ব্যাপার হলো, কারণগুলো ভিন্ন।

অ্যানালগ ওয়্যারিং ডিজাইনে, বাইপাস ক্যাপাসিটারগুলি সাধারণত পাওয়ার সাপ্লাইতে উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি সংকেতগুলিকে বাইপাস করতে ব্যবহৃত হয়। বাইপাস ক্যাপাসিটার যোগ করা না হলে, এই উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি সংকেতগুলি পাওয়ার সাপ্লাই পিনের মাধ্যমে সংবেদনশীল এনালগ চিপগুলিতে প্রবেশ করতে পারে। সাধারণভাবে বলতে গেলে, এই উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি সংকেতগুলির ফ্রিকোয়েন্সি উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি সংকেতগুলিকে দমন করার জন্য অ্যানালগ ডিভাইসগুলির ক্ষমতাকে ছাড়িয়ে যায়। অ্যানালগ সার্কিটে বাইপাস ক্যাপাসিটর ব্যবহার না করা হলে, সংকেত পথে গোলমাল হতে পারে এবং আরও গুরুতর ক্ষেত্রে এটি কম্পন সৃষ্টি করতে পারে।

এনালগ এবং ডিজিটাল পিসিবি ডিজাইনে, বাইপাস বা ডিকপলিং ক্যাপাসিটর (0.1uF) যতটা সম্ভব ডিভাইসের কাছাকাছি রাখতে হবে। পাওয়ার সাপ্লাই ডিকপলিং ক্যাপাসিটর (10uF) সার্কিট বোর্ডের পাওয়ার লাইনের প্রবেশপথে স্থাপন করা উচিত। সব ক্ষেত্রে, এই ক্যাপাসিটারগুলির পিনগুলি ছোট হওয়া উচিত।

চিত্র 2-এর সার্কিট বোর্ডে, পাওয়ার এবং গ্রাউন্ড তারগুলিকে রুট করার জন্য বিভিন্ন রুট ব্যবহার করা হয়েছে। এই অনুপযুক্ত সহযোগিতার কারণে, সার্কিট বোর্ডের ইলেকট্রনিক উপাদান এবং সার্কিটগুলি ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক হস্তক্ষেপের শিকার হওয়ার সম্ভাবনা বেশি।

চিত্র 3 এর একক প্যানেলে, সার্কিট বোর্ডের উপাদানগুলির পাওয়ার এবং গ্রাউন্ড তারগুলি একে অপরের কাছাকাছি। এই সার্কিট বোর্ডে পাওয়ার লাইন এবং গ্রাউন্ড লাইনের মিলিত অনুপাত চিত্র 2-এ দেখানো হিসাবে উপযুক্ত। সার্কিট বোর্ডে ইলেকট্রনিক উপাদান এবং সার্কিটগুলি ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক ইন্টারফেরেন্স (EMI) এর শিকার হওয়ার সম্ভাবনা 679/12.8 গুণ বা হ্রাস পেয়েছে প্রায় 54 বার।
　　
কন্ট্রোলার এবং প্রসেসরের মতো ডিজিটাল ডিভাইসগুলির জন্য, ডিকপলিং ক্যাপাসিটারগুলিও প্রয়োজন, তবে বিভিন্ন কারণে। এই ক্যাপাসিটারগুলির একটি কাজ হল একটি "ক্ষুদ্র" চার্জ ব্যাঙ্ক হিসাবে কাজ করা।

ডিজিটাল সার্কিটে, গেট স্টেট স্যুইচিং করার জন্য সাধারণত প্রচুর পরিমাণে কারেন্টের প্রয়োজন হয়। যেহেতু স্যুইচ করার সময় চিপে ক্ষণস্থায়ী কারেন্ট তৈরি হয় এবং সার্কিট বোর্ডের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়, তাই অতিরিক্ত "অতিরিক্ত" চার্জ থাকা সুবিধাজনক। স্যুইচিং ক্রিয়া সম্পাদন করার সময় পর্যাপ্ত চার্জ না থাকলে, পাওয়ার সাপ্লাই ভোল্টেজ ব্যাপকভাবে পরিবর্তিত হবে। অত্যধিক ভোল্টেজ পরিবর্তনের ফলে ডিজিটাল সিগন্যাল স্তর একটি অনিশ্চিত অবস্থায় প্রবেশ করবে এবং ডিজিটাল ডিভাইসের রাষ্ট্রীয় মেশিনটি ভুলভাবে কাজ করতে পারে।

সার্কিট বোর্ড ট্রেসের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত সুইচিং কারেন্ট ভোল্টেজের পরিবর্তন ঘটাবে এবং সার্কিট বোর্ডের ট্রেসে পরজীবী ইন্ডাকট্যান্স রয়েছে। ভোল্টেজ পরিবর্তন গণনা করতে নিম্নলিখিত সূত্রটি ব্যবহার করা যেতে পারে: V = LdI/dt. তাদের মধ্যে: V = ভোল্টেজ পরিবর্তন, L = সার্কিট বোর্ড ট্রেস ইনডাক্ট্যান্স, dI = ট্রেসের মাধ্যমে বর্তমান পরিবর্তন, dt = বর্তমান পরিবর্তনের সময়।
　　
অতএব, অনেক কারণে, পাওয়ার সাপ্লাই বা সক্রিয় ডিভাইসের পাওয়ার সাপ্লাই পিনে বাইপাস (বা ডিকপলিং) ক্যাপাসিটারগুলি প্রয়োগ করা ভাল।

পাওয়ার কর্ড এবং গ্রাউন্ড তার একসাথে রাউট করা উচিত

ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক হস্তক্ষেপের সম্ভাবনা কমাতে পাওয়ার কর্ড এবং গ্রাউন্ড তারের অবস্থান ভালভাবে মিলে যায়। যদি পাওয়ার লাইন এবং গ্রাউন্ড লাইন সঠিকভাবে মেলে না, একটি সিস্টেম লুপ ডিজাইন করা হবে এবং সম্ভবত শব্দ তৈরি হবে।

একটি PCB ডিজাইনের উদাহরণ যেখানে পাওয়ার লাইন এবং গ্রাউন্ড লাইন সঠিকভাবে মেলে না তা চিত্র 2-এ দেখানো হয়েছে। এই সার্কিট বোর্ডে, ডিজাইন করা লুপ এরিয়া হল 697cm²। চিত্র 3-এ দেখানো পদ্ধতি ব্যবহার করে, লুপে সার্কিট বোর্ড ইনডিউসিং ভোল্টেজ চালু বা বন্ধ বিকিরণ করা শব্দের সম্ভাবনা ব্যাপকভাবে হ্রাস করা যেতে পারে।

এনালগ এবং ডিজিটাল তারের কৌশলগুলির মধ্যে পার্থক্য

▍ স্থল সমতল একটি সমস্যা

সার্কিট বোর্ড ওয়্যারিং এর প্রাথমিক জ্ঞান এনালগ এবং ডিজিটাল সার্কিট উভয় ক্ষেত্রেই প্রযোজ্য। থাম্বের একটি মৌলিক নিয়ম হল একটি নিরবচ্ছিন্ন স্থল সমতল ব্যবহার করা। এই সাধারণ জ্ঞান ডিজিটাল সার্কিটগুলিতে dI/dt (সময়ের সাথে বর্তমানের পরিবর্তন) প্রভাবকে হ্রাস করে, যা স্থল সম্ভাবনাকে পরিবর্তন করে এবং অ্যানালগ সার্কিটে প্রবেশের জন্য শব্দ সৃষ্টি করে।

ডিজিটাল এবং এনালগ সার্কিটগুলির জন্য তারের কৌশলগুলি মূলত একই, একটি ব্যতিক্রম ছাড়া। অ্যানালগ সার্কিটগুলির জন্য, আরেকটি বিষয় লক্ষণীয়, তা হল, গ্রাউন্ড প্লেনে ডিজিটাল সিগন্যাল লাইন এবং লুপগুলি যতটা সম্ভব অ্যানালগ সার্কিট থেকে দূরে রাখুন। এনালগ গ্রাউন্ড প্লেনকে সিস্টেম গ্রাউন্ড কানেকশনের সাথে আলাদাভাবে সংযোগ করে অথবা সার্কিট বোর্ডের একেবারে শেষ প্রান্তে অ্যানালগ সার্কিট স্থাপন করে এটি অর্জন করা যেতে পারে, যা লাইনের শেষ। এটি সংকেত পথে বাহ্যিক হস্তক্ষেপকে সর্বনিম্ন রাখার জন্য করা হয়।

ডিজিটাল সার্কিটগুলির জন্য এটি করার দরকার নেই, যা সমস্যা ছাড়াই স্থল সমতলে প্রচুর শব্দ সহ্য করতে পারে।

চিত্র 4 (বাম) এনালগ সার্কিট থেকে ডিজিটাল সুইচিং ক্রিয়াকে বিচ্ছিন্ন করে এবং সার্কিটের ডিজিটাল এবং এনালগ অংশগুলিকে পৃথক করে। (ডান) উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি এবং কম ফ্রিকোয়েন্সি যতটা সম্ভব আলাদা করা উচিত এবং উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি উপাদানগুলি সার্কিট বোর্ড সংযোগকারীর কাছাকাছি হওয়া উচিত।

চিত্র 5 লেআউট PCB-তে দুটি ঘনিষ্ঠ ট্রেস, এটি পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স গঠন করা সহজ। এই ধরনের ক্যাপাসিট্যান্সের অস্তিত্বের কারণে, একটি ট্রেসে দ্রুত ভোল্টেজ পরিবর্তন অন্য ট্রেসে একটি বর্তমান সংকেত তৈরি করতে পারে।

চিত্র 6 আপনি যদি ট্রেস স্থাপনের দিকে মনোযোগ না দেন, তাহলে PCB-তে থাকা ট্রেসগুলি লাইন ইন্ডাকট্যান্স এবং পারস্পরিক ইন্ডাকট্যান্স তৈরি করতে পারে। এই পরজীবী ইন্ডাকট্যান্স ডিজিটাল সুইচিং সার্কিট সহ সার্কিট পরিচালনার জন্য খুবই ক্ষতিকর।

▍ উপাদান অবস্থান

উপরে উল্লিখিত হিসাবে, প্রতিটি PCB ডিজাইনে, সার্কিটের শব্দ অংশ এবং "শান্ত" অংশ (শব্দহীন অংশ) আলাদা করা উচিত। সাধারণভাবে বলতে গেলে, ডিজিটাল সার্কিটগুলি শব্দে "সমৃদ্ধ" এবং শব্দের প্রতি সংবেদনশীল নয় (কারণ ডিজিটাল সার্কিটগুলির একটি বড় ভোল্টেজের শব্দ সহনশীলতা রয়েছে); বিপরীতে, এনালগ সার্কিটের ভোল্টেজ শব্দ সহনশীলতা অনেক ছোট।

দুটির মধ্যে, অ্যানালগ সার্কিটগুলি শব্দ পরিবর্তনের জন্য সবচেয়ে সংবেদনশীল। একটি মিশ্র-সংকেত সিস্টেমের তারের মধ্যে, এই দুটি সার্কিট আলাদা করা উচিত, যেমন চিত্র 4 এ দেখানো হয়েছে।
　　
▍পিসিবি ডিজাইন দ্বারা উত্পন্ন পরজীবী উপাদান

দুটি মৌলিক পরজীবী উপাদান যা সমস্যা সৃষ্টি করতে পারে পিসিবি ডিজাইনে সহজেই গঠিত হয়: পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স এবং পরজীবী ইন্ডাকট্যান্স।

একটি সার্কিট বোর্ড ডিজাইন করার সময়, দুটি ট্রেস একে অপরের কাছাকাছি রাখলে পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স তৈরি হবে। আপনি এটি করতে পারেন: দুটি ভিন্ন স্তরে, অন্য ট্রেসের উপরে একটি ট্রেস রাখুন; বা একই স্তরে, চিত্র 5-এ দেখানো হিসাবে অন্য ট্রেসের পাশে একটি ট্রেস রাখুন।
　　
এই দুটি ট্রেস কনফিগারেশনে, একটি ট্রেসে সময়ের সাথে ভোল্টেজের পরিবর্তন (dV/dt) অন্য ট্রেসে কারেন্ট সৃষ্টি করতে পারে। অন্য ট্রেস উচ্চ প্রতিবন্ধকতা থাকলে, বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের দ্বারা উত্পন্ন বর্তমান ভোল্টেজে রূপান্তরিত হবে।
　　
দ্রুত ভোল্টেজ ট্রানজিয়েন্টগুলি প্রায়শই অ্যানালগ সংকেত ডিজাইনের ডিজিটাল দিকে ঘটে। যদি দ্রুত ভোল্টেজ ট্রানজিয়েন্টের ট্রেসগুলি উচ্চ-প্রতিবন্ধক অ্যানালগ ট্রেসের কাছাকাছি হয়, তাহলে এই ত্রুটিটি অ্যানালগ সার্কিটের নির্ভুলতাকে গুরুতরভাবে প্রভাবিত করবে। এই পরিবেশে, অ্যানালগ সার্কিটগুলির দুটি অসুবিধা রয়েছে: তাদের শব্দ সহনশীলতা ডিজিটাল সার্কিটের তুলনায় অনেক কম; এবং উচ্চ প্রতিবন্ধকতা ট্রেস আরো সাধারণ.
　　
নিম্নলিখিত দুটি কৌশল ব্যবহার করে এই ঘটনাটি কমাতে পারে। সর্বাধিক ব্যবহৃত কৌশল হল ক্যাপাসিট্যান্স সমীকরণ অনুসারে ট্রেসের মধ্যে আকার পরিবর্তন করা। পরিবর্তন করার জন্য সবচেয়ে কার্যকর আকার হল দুটি ট্রেসের মধ্যে দূরত্ব। এটি লক্ষ করা উচিত যে পরিবর্তনশীল d ক্যাপাসিট্যান্স সমীকরণের হরটিতে রয়েছে। d বাড়ার সাথে সাথে ক্যাপাসিটিভ বিক্রিয়া কমে যাবে। আরেকটি পরিবর্তনশীল যা পরিবর্তন করা যেতে পারে তা হল দুটি ট্রেসের দৈর্ঘ্য। এই ক্ষেত্রে, দৈর্ঘ্য L হ্রাস পায়, এবং দুটি ট্রেসের মধ্যে ক্যাপাসিটিভ বিক্রিয়াও হ্রাস পাবে।
　　
আরেকটি কৌশল হল এই দুটি ট্রেসের মধ্যে একটি গ্রাউন্ড তার স্থাপন করা। গ্রাউন্ড ওয়্যারটি কম প্রতিবন্ধকতা, এবং এইরকম আরেকটি ট্রেস যোগ করলে হস্তক্ষেপ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র দুর্বল হয়ে যাবে, যেমন চিত্র 5 এ দেখানো হয়েছে।
　　
সার্কিট বোর্ডে পরজীবী আবেশের নীতিটি পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্সের অনুরূপ। এটি দুটি ট্রেস আউট রাখা হয়. দুটি ভিন্ন স্তরে, অন্য ট্রেসের উপরে একটি ট্রেস রাখুন; অথবা একই স্তরে, চিত্র 6-এ দেখানো হিসাবে অন্যটির পাশে একটি ট্রেস রাখুন।

এই দুটি ওয়্যারিং কনফিগারেশনে, সময়ের সাথে একটি ট্রেসের বর্তমান পরিবর্তন (dI/dt), এই ট্রেসের প্রবর্তনের কারণে, একই ট্রেসে ভোল্টেজ তৈরি করবে; এবং পারস্পরিক আবেশের অস্তিত্বের কারণে, এটি হবে একটি আনুপাতিক কারেন্ট অন্য ট্রেসে উত্পন্ন হয়। প্রথম ট্রেসে ভোল্টেজ পরিবর্তন যথেষ্ট বড় হলে, হস্তক্ষেপ ডিজিটাল সার্কিটের ভোল্টেজ সহনশীলতা হ্রাস করতে পারে এবং ত্রুটির কারণ হতে পারে। এই ঘটনাটি শুধুমাত্র ডিজিটাল সার্কিটেই ঘটে না, কিন্তু এই ঘটনাটি ডিজিটাল সার্কিটে বেশি দেখা যায় কারণ ডিজিটাল সার্কিটে বড় তাৎক্ষণিক সুইচিং কারেন্ট রয়েছে।
　　
ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক হস্তক্ষেপের উত্স থেকে সম্ভাব্য শব্দ দূর করতে, কোলাহলপূর্ণ I/O পোর্ট থেকে "শান্ত" অ্যানালগ লাইনগুলিকে আলাদা করা ভাল। একটি কম প্রতিবন্ধকতা পাওয়ার এবং গ্রাউন্ড নেটওয়ার্ক অর্জনের চেষ্টা করার জন্য, ডিজিটাল সার্কিট তারের প্রবর্তন ন্যূনতম করা উচিত এবং এনালগ সার্কিটের ক্যাপাসিটিভ কাপলিং ন্যূনতম করা উচিত।
　　
03

উপসংহার

ডিজিটাল এবং এনালগ রেঞ্জ নির্ধারণের পর, একটি সফল PCB-এর জন্য সতর্ক রাউটিং অপরিহার্য। ওয়্যারিং কৌশলটি সাধারণত একটি সাধারণ নিয়ম হিসাবে প্রত্যেকের কাছে চালু করা হয়, কারণ পরীক্ষাগার পরিবেশে পণ্যটির চূড়ান্ত সাফল্য পরীক্ষা করা কঠিন। অতএব, ডিজিটাল এবং অ্যানালগ সার্কিটের তারের কৌশলগুলির মধ্যে মিল থাকা সত্ত্বেও, তাদের তারের কৌশলগুলির পার্থক্যগুলি অবশ্যই স্বীকৃত এবং গুরুত্ব সহকারে নেওয়া উচিত।