U PCB dizajnu, zašto je razlika između analognog kruga i digitalnog kruga tako velika?

Broj digitalnih dizajnera i stručnjaka za dizajn digitalnog kruga u inženjerskom polju neprestano se povećava, što odražava trend razvoja industrije. Iako je naglasak na digitalnom dizajnu doveo do glavnih događaja u elektronskim proizvodima, i dalje postoji, a uvijek će postojati neki krugovi koji sučelje s analognim ili stvarnim okruženjima. Strategije ožičenja u analognom i digitalnom polju imaju neke sličnosti, ali kad želite dobiti bolje rezultate, zbog različitih strategija ožičenja, jednostavan dizajn ožičenja kruga više nije optimalno rješenje.

Ovaj članak govori o osnovnim sličnostima i razlikama između analognog i digitalnog ožičenja u pogledu zaobilaznih kondenzatora, napajanja, prizemne dizajne, naponskih grešaka i elektromagnetske smetnje (EMI) uzrokovane PCB ožičenjem.

Dodavanje bajparskih ili odvajajućih kondenzatora na ploči i lokaciju ovih kondenzatora na ploči imaju zdrav razum za digitalni i analogni dizajn. Ali zanimljivo je da su razlozi različiti.

U analognom dizajnu ožičenja, obilaznice se obično koriste za zaobilaženje visokofrekventnih signala na napajanju. Ako ne dodaju bajpasni kondenzatori, ovi visokofrekventni signali mogu unijeti osjetljive analogne čipove kroz igle za napajanje. Generalno gledano, frekvencija ovih visokofrekventnih signala prelazi sposobnost analognih uređaja za suzbijanje visokofrekventnih signala. Ako se obilazni kondenzator ne koristi u analognom krugu, buka se može uvesti u signalni put, a u ozbiljnijim slučajevima može čak i uzrokovati vibraciju.

U analognom i digitalnom PCB dizajnu, bajpasni ili odvajajući kondenzatori (0.1UF) trebaju biti postavljeni što bliže uređaju. Kondenzator za odlaganje napajanja (10UF) treba postaviti na ulazu u sklopnu ulogu opružne ploče. U svim slučajevima, igle tih kondenzatora trebaju biti kratke.

Na ploči na slici 2 koriste se različite rute za usmjeravanje snage i uzemljenih žica. Zbog ove nepravilne suradnje, elektroničke komponente i sklopovi na krugu vjerovatnije su podložne elektromagnetskom smetnji.

Na jednoj ploči Slika 3, snage i prizemlje na komponente na ploči na krugu su blizu jedni drugima. Koeficijent odgovarajućeg linije i uzemljenja u ovoj ploči prikladni su kao što je prikazano na slici 2. Verovatnoća elektroničkih komponenti i krugova u krugu koja se podvrgava elektromagnetskim smetnji (EMI) smanjuje se za 679 / 12,8 puta ili oko 54 puta.
　　
Za digitalne uređaje kao što su kontroleri i procesori, potrebni su i akcionari za odvajanje, ali iz različitih razloga. Jedna funkcija ovih kondenzatora treba djelovati kao "minijaturna" banka za punjenje.

U digitalnim krugovima obično se traži veliku količinu struje za izvedbu prebacivanja stanja vrata. Budući da se prebacivanje prolaznih struja generiraju na čipu tijekom prebacivanja i protoka kroz kružnicu, povoljno je imati dodatne "rezervne" troškove. Ako nema dovoljno naboja prilikom obavljanja preklopne akcije, napon napajanja će se uvelike promijeniti. Previše promjene napona uzrokovat će se digitalnom nivou signala da unese nesigurno stanje i može uzrokovati da državni stroj na digitalnom uređaju nepravedno radi.

Struja prebacivanja koja prolazi kroz trag krugova uzrokovat će promjenu napona i traga za pločima u krugu ima parazitsku induktivnost. Sljedeća formula može se koristiti za izračunavanje promjene napona: V = ldi / dt. Među njima: V = promjena napona, L = uvod za tragove kruga, di = trenutna promjena kroz trag, DT = trenutna vremena promjene.
　　
Stoga je iz više razloga, bolje primijeniti bajpaste (ili odvajanje) kondenzatora na napajanje ili na igle za napajanje aktivnih uređaja.

Kabl za napajanje i zemljana žica trebaju biti usmjereni zajedno

Položaj kabla za napajanje i uzemljenu žicu dobro se podudaraju kako bi se smanjila mogućnost elektromagnetske smetnje. Ako se linija za napajanje i uzemljenje nisu pravilno podudaraju, dizajnirat će se sistemska petlja i vjerovatno će se generirati buka.

Primjer PCB dizajna u kojem se ne podudaraju linijski linijski i prizemna linija, prikazan je na slici 2. Na ovoj ploči dizajnirano je površina petlje 697cm². Koristeći metodu prikazanu na slici 3, mogućnost zračene buke na ili isključuju se na kružni odboj natkrivanje napona u petlji može se u velikoj mjeri smanjiti.

Razlika između analognih i digitalnih strategija ožičenja

▍Za li je zemljani avion problem

Osnovno znanje ožičenja krugova primjenjuje se na analogni i digitalni krugovi. Osnovno pravilo za pravilo je korištenje neprekidnog tložnog aviona. Ovaj zdrav razum smanjuje DI / DT (promjena u tekućim vremenskim) efektom u digitalnim krugovima, koji mijenja tlo potencijal i uzrokuje šum za ulazak u analogni krugovi.

Tehnike ožičenja za digitalne i analogne krugove u osnovi su iste, s jednim izuzetkom. Za analogni krugove postoji još jedna stvar koja se može napomenuti, odnosno držite digitalne signalne linije i petlje u tložnom ravninu što dalje od analognih krugova. To se može postići povezivanjem analognog ravnina tla u sistem priključine sustava odvojeno ili postavljanje analognog kruga na krajnji kraj ploče, koji je kraj linije. To se radi kako bi se vanjsko smetnje zadržalo na putanju signala na minimum.

Nema potrebe da se to učinite za digitalne sklopove, što može nelerirati puno buke na zemljištu bez problema.

Slika 4 (lijevo) izolira digitalnu akciju prebacivanja iz analognog kruga i odvaja digitalne i analogne dijelove kruga. (Desno) visoka frekvencija i niska frekvencija trebaju biti odvojeni što je više moguće, a velike frekvencijske komponente trebaju biti u neposrednoj blizini konektora kruga.

Slika 5 Izgled Dva zatvorena tragova na PCB-u, lako je formirati parazitske kapacitet. Zbog postojanja ove vrste kapaciteta, brzo promjena napona na jednom tragovu može generirati trenutni signal na drugom tragu.

Slika 6 Ako ne obraćate pažnju na plasman tragova, tragovi u PCB-u mogu proizvesti induktivnost linije i međusobnu induktivnost. Ova parazitska induktivnost vrlo je štetna za rad krugova, uključujući digitalne sklopne krugove.

▍Component Location

Kao što je već spomenuto, u svakom dizajnu PCB-a, dio buke, dio kruga i "miran" dio (ne-buke dio) treba razdvojiti. Generalno gledano, digitalni krugovi su "bogati" u buci i neosjetljivi su na buku (jer digitalni krugovi imaju veću toleranciju buke napona); Naprotiv, tolerancija od buke napona analognih krugova mnogo je manja.

Od dva, analogni krugovi su najosjetljiviji na prebacivanje buke. U oživljavanju sustava mješovitih signala, ova dva kruga treba odvojiti, kao što je prikazano na slici 4.
　　
▍paritne komponente koje generiraju PCB dizajn

Dva osnovna parazitska elementa koji mogu uzrokovati probleme lako se formiraju u PCB dizajnu: parazitskim kapacitincima i parazitskom induktivnosti.

Prilikom dizajniranja pločice, postavljanje dva tragova blizu jedni drugima stvorit će parazitskim kapacitonom. To možete učiniti: na dva različita sloja, stavite jedan trag na vrh drugog traga; Ili na istom sloju stavite jedan trag pored drugog traga, kao što je prikazano na slici 5.
　　
U tim dvije konfiguracije u tragovima promjene napona s vremenom (DV / DT) na jednom tragu mogu prouzrokovati struju na drugom tragu. Ako je drugi trag visoka impedancija, struja proizvedena električnim poljem bit će pretvorena u napon.
　　
Brzi napon koji se najčešće javljaju na digitalnoj strani dizajna analognog signala. Ako su tragovi s brzim naponskim prijelaznicima u blizini analognih tragova visoke impedance, ova će pogreška ozbiljno utjecati na točnost analognog kruga. U ovom okruženju analogni krugovi imaju dva nedostatka: njihova tolerancija u buci je mnogo niža od one digitalnih krugova; i visoki uređaji za impedanciju su češći.
　　
Koristeći jednu od sljedećih dvije tehnike mogu umanjiti ovaj fenomen. Najčešće korištena tehnika je promjena veličine između tragova u skladu sa jednadžbom kapaciteta. Najefikasnija veličina promjene je udaljenost između dva tragova. Treba napomenuti da je varijabla D u nazivniku jednadžbe kapacitacije. Kako se d povećava, kapacitivnu reaktanciju će se smanjiti. Druga varijabla koja se može promijeniti je dužina dva traga. U ovom slučaju, dužina L opada, a kapacitivnu reaktanciju između dva traga također će se smanjiti.
　　
Druga tehnika je položiti zemljuću žicu između ova dva tragova. Zemljina žica je mala impedancija i dodajući drugi trag poput ove, oslabit će smetnje električno polje, kao što je prikazano na slici 5.
　　
Princip parazitske induktivnosti u ploči kruga sličan je parazitskom kapacituru. Također je izložio dva tragova. Na dva različita sloja stavite jedan trag na vrh drugog traga; Ili na istom sloju stavite jedan trag pored drugog, kao što je prikazano na slici 6.

U tim dvije konfiguracije ožičenja, trenutna promjena (DI / DT) traga s vremenom, zbog induktivnosti ovog traga, stvorit će napon na istom tragovu; I zbog postojanja uzajamne induktivnosti, proporcionalna struja generira se na drugom tragu. Ako je promjena napona na prvom tragovu dovoljno velik, smetnje može smanjiti toleranciju napona digitalnog kruga i uzrokovati greške. Ovaj fenomen ne pojavljuje se samo u digitalnim krugovima, ali ovaj je fenomen češći u digitalnim krugovima zbog velikih trenutnih preklopnih struja u digitalnim krugovima.
　　
Da biste uklonili potencijalni buku iz elektromagnetskih izvora smetnji, najbolje je odvojiti "mirne" analogne linije od bučnih I / O portova. Da biste pokušali postići moć i prizemnu mrežu sa niskim impedancijama, induktivnost digitalnih krugova trebaju biti svedeni, a kapacitivnu spajanje analognih krugova treba umanjiti.
　　
03

Zaključak

Nakon što se utvrde digitalni i analogni rasponi, pažljivo usmjeravanje od suštinskog je značaja za uspješan PCB. Strategija ožičenja obično se uvodi svima u pravilu, jer je teško testirati krajnji uspjeh proizvoda u laboratorijskom okruženju. Stoga, uprkos sličnostima u strategijama ožičenja digitalnih i analognih krugova, razlike u njihovim strategijama ožičenja moraju se prepoznati i shvatiti ozbiljno.