Broj digitalnih dizajnera i stručnjaka za dizajn digitalnih ploča u inženjeringu je u stalnom porastu, što odražava trend razvoja industrije. Iako je naglasak na digitalnom dizajnu doveo do velikog razvoja elektronskih proizvoda, on i dalje postoji, i uvijek će postojati neki dizajni kola koji se povezuju s analognim ili stvarnim okruženjem. Strategije ožičenja u analognom i digitalnom polju imaju neke sličnosti, ali kada želite da dobijete bolje rezultate, zbog njihovih različitih strategija ožičenja, jednostavan dizajn ožičenja više nije optimalno rješenje.

Ovaj članak govori o osnovnim sličnostima i razlikama između analognog i digitalnog ožičenja u smislu premosnih kondenzatora, izvora napajanja, dizajna uzemljenja, grešaka napona i elektromagnetnih smetnji (EMI) uzrokovanih PCB ožičenjem.

Broj digitalnih dizajnera i stručnjaka za dizajn digitalnih ploča u inženjeringu je u stalnom porastu, što odražava trend razvoja industrije. Iako je naglasak na digitalnom dizajnu doveo do velikog razvoja elektronskih proizvoda, on i dalje postoji, i uvijek će postojati neki dizajni kola koji se povezuju s analognim ili stvarnim okruženjem. Strategije ožičenja u analognom i digitalnom polju imaju neke sličnosti, ali kada želite da dobijete bolje rezultate, zbog njihovih različitih strategija ožičenja, jednostavan dizajn ožičenja više nije optimalno rješenje.

Ovaj članak govori o osnovnim sličnostima i razlikama između analognog i digitalnog ožičenja u smislu premosnih kondenzatora, izvora napajanja, dizajna uzemljenja, grešaka napona i elektromagnetnih smetnji (EMI) uzrokovanih PCB ožičenjem.

Dodavanje kondenzatora za premošćivanje ili razdvajanje na ploči i lokacija ovih kondenzatora na ploči su zdrav razum za digitalne i analogne dizajne. Ali zanimljivo je da su razlozi različiti.

U dizajnu analognog ožičenja, zaobilazni kondenzatori se obično koriste za premošćavanje visokofrekventnih signala na izvoru napajanja. Ako se ne dodaju premosni kondenzatori, ovi visokofrekventni signali mogu ući u osjetljive analogne čipove kroz pinove napajanja. Uopšteno govoreći, frekvencija ovih visokofrekventnih signala prevazilazi sposobnost analognih uređaja da potisnu visokofrekventne signale. Ako se premosni kondenzator ne koristi u analognom kolu, može doći do šumova na putu signala, au ozbiljnijim slučajevima čak i do vibracija.

U analognom i digitalnom dizajnu PCB-a, kondenzatori za premošćivanje ili razdvajanje (0,1uF) treba da budu postavljeni što bliže uređaju. Kondenzator za razdvajanje napajanja (10uF) bi trebao biti postavljen na ulazu za strujnu liniju na ploči. U svim slučajevima, pinovi ovih kondenzatora trebaju biti kratki.

Na ploči na slici 2, različite rute se koriste za usmjeravanje žica za napajanje i uzemljenje. Zbog ove nepravilne saradnje, vjerojatnije je da će elektronske komponente i kola na pločici biti izloženi elektromagnetnim smetnjama.

Na jednom panelu na slici 3, žice za napajanje i uzemljenje do komponenti na ploči su blizu jedna drugoj. Odnos podudarnosti linije napajanja i uzemljenja u ovoj ploči je prikladan kao što je prikazano na slici 2. Vjerovatnoća da će elektroničke komponente i kola u pločici biti izloženi elektromagnetnim smetnjama (EMI) smanjena je za 679/12,8 puta ili oko 54 puta.
　　
Za digitalne uređaje kao što su kontroleri i procesori, kondenzatori za razdvajanje su također potrebni, ali iz različitih razloga. Jedna od funkcija ovih kondenzatora je da djeluju kao „minijaturna“ banka punjenja.

U digitalnim kolima, velika količina struje je obično potrebna za izvođenje prebacivanja stanja gejta. Budući da se prelazne struje komutacije stvaraju na čipu tokom komutacije i teku kroz ploču, korisno je imati dodatna "rezervna" naelektrisanja. Ako nema dovoljno napunjenosti prilikom izvođenja radnje prebacivanja, napon napajanja će se uvelike promijeniti. Prevelika promjena napona će uzrokovati da nivo digitalnog signala uđe u nesigurno stanje i može uzrokovati neispravan rad stroja stanja u digitalnom uređaju.

Preklopna struja koja teče kroz trag ploče će uzrokovati promjenu napona, a trag ploče ima parazitsku induktivnost. Za izračunavanje promjene napona može se koristiti sljedeća formula: V = LdI/dt. Među njima: V = promjena napona, L = induktivnost traga ploče, dI = promjena struje kroz trag, dt = vrijeme promjene struje.
　　
Stoga je, iz mnogo razloga, bolje primijeniti premosne (ili decoupling) kondenzatore na izvor napajanja ili na pinove napajanja aktivnih uređaja.

Kabl za napajanje i žica za uzemljenje treba da budu postavljeni zajedno

Položaj kabla za napajanje i žice za uzemljenje su dobro usklađeni kako bi se smanjila mogućnost elektromagnetnih smetnji. Ako strujni vod i zemaljski vod nisu pravilno usklađeni, sistemska petlja će biti dizajnirana i vjerovatno će se generirati šum.

Primjer dizajna PCB-a gdje strujni vod i uzemljenje nisu pravilno usklađeni prikazan je na slici 2. Na ovoj ploči, projektovana površina petlje je 697 cm². Koristeći metodu prikazanu na slici 3, mogućnost zračenog šuma na pločici ili izvan nje koja inducira napon u petlji može se znatno smanjiti.

Razlika između analognih i digitalnih strategija ožičenja

▍Uzemljenje je problem

Osnovno znanje o ožičenju ploča je primjenjivo i na analogna i na digitalna kola. Osnovno pravilo je korištenje neprekinutog uzemljenja. Ovaj zdrav razum smanjuje dI/dt (promjena struje s vremenom) efekat u digitalnim kolima, što mijenja potencijal zemlje i uzrokuje da šum uđe u analogna kola.

Tehnike ožičenja za digitalna i analogna kola su u osnovi iste, s jednim izuzetkom. Što se tiče analognih kola, postoji još jedna stvar koju treba napomenuti, to jest, držite digitalne signalne linije i petlje u ravni uzemljenja što dalje od analognih kola. Ovo se može postići odvojenim povezivanjem analogne ravni uzemljenja sa priključkom za uzemljenje sistema ili postavljanjem analognog kola na udaljeniji kraj ploče, što je kraj linije. Ovo se radi kako bi se vanjske smetnje na putu signala svele na minimum.

Nema potrebe da se to radi za digitalna kola, koja mogu tolerisati mnogo šuma na zemaljskoj ravni bez problema.

Slika 4 (lijevo) izoluje akciju digitalnog prebacivanja od analognog kola i razdvaja digitalni i analogni dio kola. (Desno) Visoku frekvenciju i nisku frekvenciju treba razdvojiti što je više moguće, a komponente visoke frekvencije trebaju biti blizu konektora na ploči.

Slika 5 Postavite dva bliska traga na PCB, lako je formirati parazitski kapacitet. Zbog postojanja ove vrste kapacitivnosti, brza promjena napona na jednom tragu može generirati strujni signal na drugom tragu.

Slika 6. Ako ne obratite pažnju na postavljanje tragova, tragovi u PCB-u mogu proizvesti linijsku induktivnost i međusobnu induktivnost. Ova parazitska induktivnost je vrlo štetna za rad kola uključujući digitalna sklopna kola.

▍Lokacija komponente

Kao što je gore spomenuto, u svakom dizajnu PCB-a, dio s šumom u krugu i “tihi” dio (dio bez buke) treba da budu odvojeni. Uopšteno govoreći, digitalna kola su “bogata” šumom i neosetljiva su na šum (jer digitalna kola imaju veću toleranciju na naponski šum); naprotiv, tolerancija naponske buke kod analognih kola je mnogo manja.

Od ta dva, analogna kola su najosjetljivija na šum pri prebacivanju. U ožičenju sistema mješovitog signala, ova dva kruga treba da budu razdvojena, kao što je prikazano na slici 4.
　　
▍Parazitske komponente generisane dizajnom PCB-a

Dva osnovna parazitna elementa koji mogu uzrokovati probleme lako se formiraju u dizajnu PCB-a: parazitni kapacitet i parazitna induktivnost.

Kada dizajnirate ploču, postavljanje dva traga blizu jedan drugom će stvoriti parazitski kapacitet. Ovo možete učiniti: Na dva različita sloja, postavite jedan trag na drugi trag; ili na isti sloj, postavite jedan trag pored drugog traga, kao što je prikazano na slici 5.
　　
U ove dvije konfiguracije traga, promjene napona tokom vremena (dV/dt) na jednom tragu mogu uzrokovati struju na drugom tragu. Ako je drugi trag visoke impedancije, struja koju stvara električno polje će se pretvoriti u napon.
　　
Brzi naponski tranzijenti najčešće se javljaju na digitalnoj strani dizajna analognog signala. Ako su tragovi sa brzim naponskim tranzijentima blizu analognih tragova visoke impedancije, ova greška će ozbiljno uticati na tačnost analognog kola. U ovom okruženju, analogna kola imaju dva nedostatka: njihova tolerancija na šum je mnogo niža od one kod digitalnih kola; a tragovi visoke impedanse su češći.
　　
Korištenje jedne od sljedeće dvije tehnike može smanjiti ovaj fenomen. Najčešće korištena tehnika je promjena veličine između tragova prema jednadžbi kapacitivnosti. Najefikasnija veličina za promjenu je udaljenost između dva traga. Treba napomenuti da je varijabla d u nazivniku jednačine kapacitivnosti. Kako se d povećava, kapacitivna reaktancija će se smanjiti. Druga varijabla koja se može promijeniti je dužina dva traga. U ovom slučaju, dužina L se smanjuje, a kapacitivna reaktancija između dva traga također će se smanjiti.
　　
Druga tehnika je polaganje žice za uzemljenje između ova dva traga. Žica za uzemljenje je niske impedancije, a dodavanje još jednog ovakvog traga će oslabiti električno polje interferencije, kao što je prikazano na slici 5.
　　
Princip parazitske induktivnosti na ploči je sličan onom parazitskog kapaciteta. Također je potrebno postaviti dva traga. Na dva različita sloja, postavite jedan trag na drugi trag; ili na isti sloj, postavite jedan trag pored drugog, kao što je prikazano na slici 6.

U ove dvije konfiguracije ožičenja, promjena struje (dI/dt) traga s vremenom, zbog induktivnosti ovog traga, će generirati napon na istom tragu; a zbog postojanja međusobne induktivnosti, na drugom tragu će se generirati proporcionalna struja. Ako je promjena napona na prvom tragu dovoljno velika, smetnje mogu smanjiti toleranciju napona digitalnog kola i uzrokovati greške. Ovaj fenomen se ne javlja samo u digitalnim kolima, već je ovaj fenomen češći u digitalnim kolima zbog velikih trenutnih struja prebacivanja u digitalnim kolima.
　　
Da biste eliminirali potencijalni šum iz izvora elektromagnetnih smetnji, najbolje je odvojiti “tihe” analogne linije od bučnih I/O portova. Da bi se pokušala postići niskoimpedansna mreža za napajanje i uzemljenje, induktivnost žica digitalnog kola treba minimizirati, a kapacitivnu spregu analognih kola treba minimizirati.
　　
03

Zaključak

Nakon što se odrede digitalni i analogni rasponi, pažljivo usmjeravanje je bitno za uspješan PCB. Strategija ožičenja se obično upoznaje sa svima kao pravilo, jer je teško testirati konačni uspjeh proizvoda u laboratorijskom okruženju. Stoga, uprkos sličnostima u strategijama ožičenja digitalnih i analognih kola, razlike u njihovim strategijama ožičenja moraju se prepoznati i shvatiti ozbiljno.