El nombre de dissenyadors digitals i experts en disseny de plaques de circuit digital en el camp de l'enginyeria augmenta constantment, cosa que reflecteix la tendència de desenvolupament de la indústria. Tot i que l'èmfasi en el disseny digital ha provocat grans desenvolupaments en productes electrònics, encara existeix, i sempre hi haurà alguns dissenys de circuits que interactuen amb entorns analògics o reals. Les estratègies de cablejat en els camps analògic i digital tenen algunes similituds, però quan es volen obtenir millors resultats, a causa de les seves diferents estratègies de cablejat, el disseny de cablejat simple de circuits ja no és la solució òptima.

Aquest article analitza les similituds i diferències bàsiques entre el cablejat analògic i digital en termes de condensadors de bypass, fonts d'alimentació, disseny de terra, errors de tensió i interferències electromagnètiques (EMI) causades pel cablejat de PCB.

El nombre de dissenyadors digitals i experts en disseny de plaques de circuit digital en el camp de l'enginyeria augmenta constantment, cosa que reflecteix la tendència de desenvolupament de la indústria. Tot i que l'èmfasi en el disseny digital ha provocat grans desenvolupaments en productes electrònics, encara existeix, i sempre hi haurà alguns dissenys de circuits que interactuen amb entorns analògics o reals. Les estratègies de cablejat en els camps analògic i digital tenen algunes similituds, però quan es volen obtenir millors resultats, a causa de les seves diferents estratègies de cablejat, el disseny de cablejat simple de circuits ja no és la solució òptima.

Aquest article analitza les similituds i diferències bàsiques entre el cablejat analògic i digital en termes de condensadors de bypass, fonts d'alimentació, disseny de terra, errors de tensió i interferències electromagnètiques (EMI) causades pel cablejat de PCB.

Afegir condensadors de derivació o desacoblament a la placa de circuits i la ubicació d'aquests condensadors a la placa són de sentit comú per als dissenys digitals i analògics. Però curiosament, els motius són diferents.

En el disseny de cablejat analògic, els condensadors de bypass s'utilitzen normalment per evitar senyals d'alta freqüència a la font d'alimentació. Si no s'afegeixen condensadors de derivació, aquests senyals d'alta freqüència poden entrar en xips analògics sensibles a través dels pins de la font d'alimentació. En termes generals, la freqüència d'aquests senyals d'alta freqüència supera la capacitat dels dispositius analògics per suprimir senyals d'alta freqüència. Si el condensador de derivació no s'utilitza al circuit analògic, es pot introduir soroll a la ruta del senyal i, en casos més greus, fins i tot pot provocar vibracions.

En el disseny de PCB analògic i digital, els condensadors de derivació o desacoblament (0,1 uF) s'han de col·locar el més a prop possible del dispositiu. El condensador de desacoblament de la font d'alimentació (10uF) s'ha de col·locar a l'entrada de la línia elèctrica de la placa de circuit. En tots els casos, els pins d'aquests condensadors han de ser curts.

A la placa de circuit de la figura 2, s'utilitzen diferents rutes per encaminar els cables d'alimentació i de terra. A causa d'aquesta cooperació inadequada, és més probable que els components electrònics i els circuits de la placa de circuit estiguin subjectes a interferències electromagnètiques.

Al panell únic de la figura 3, els cables d'alimentació i de terra dels components de la placa de circuit estan a prop els uns dels altres. La relació de concordança de la línia elèctrica i la línia de terra en aquesta placa de circuit és adequada, tal com es mostra a la figura 2. La probabilitat que els components electrònics i els circuits de la placa de circuit estiguin sotmesos a interferències electromagnètiques (EMI) es redueix 679/12,8 vegades o unes 54 vegades.
　　
Per a dispositius digitals com controladors i processadors, també es requereixen condensadors de desacoblament, però per diferents motius. Una de les funcions d'aquests condensadors és actuar com un banc de càrrega "en miniatura".

En els circuits digitals, normalment es requereix una gran quantitat de corrent per realitzar la commutació d'estat de la porta. Atès que els corrents transitoris de commutació es generen al xip durant la commutació i el flux a través de la placa de circuit, és avantatjós tenir càrregues de "recanvi" addicionals. Si no hi ha prou càrrega en realitzar l'acció de commutació, la tensió de la font d'alimentació canviarà molt. Un canvi excessiu de tensió farà que el nivell del senyal digital entri en un estat incert i pot provocar que la màquina d'estat del dispositiu digital funcioni incorrectament.

El corrent de commutació que flueix per la traça de la placa de circuit farà que la tensió canviï, i la traça de la placa de circuit tingui una inductància paràsit. Per calcular el canvi de tensió es pot utilitzar la fórmula següent: V = LdI/dt. Entre ells: V = canvi de tensió, L = inductància de traça de la placa de circuit, dI = canvi de corrent a través de la traça, dt = temps de canvi de corrent.
　　
Per tant, per moltes raons, és millor aplicar condensadors de bypass (o desacoblament) a la font d'alimentació o als pins de la font d'alimentació dels dispositius actius.

El cable d'alimentació i el cable de terra s'han d'encaminar junts

La posició del cable d'alimentació i el cable de terra estan ben adaptades per reduir la possibilitat d'interferències electromagnètiques. Si la línia elèctrica i la línia de terra no coincideixen correctament, es dissenyarà un bucle del sistema i probablement es generarà soroll.

A la figura 2 es mostra un exemple de disseny de PCB on la línia elèctrica i la línia de terra no coincideixen correctament. En aquesta placa de circuit, l'àrea del bucle dissenyada és de 697 cm². Mitjançant el mètode que es mostra a la figura 3, es pot reduir considerablement la possibilitat que el soroll radiat a la placa de circuit indueixi voltatge al bucle.

La diferència entre les estratègies de cablejat analògic i digital

▍El pla de terra és un problema

Els coneixements bàsics de cablejat de plaques de circuit són aplicables tant a circuits analògics com digitals. Una regla bàsica és utilitzar un pla de terra ininterromput. Aquest sentit comú redueix l'efecte dI/dt (canvi de corrent amb el temps) en els circuits digitals, que canvia el potencial de terra i fa que el soroll entri en circuits analògics.

Les tècniques de cablejat per als circuits digitals i analògics són bàsicament les mateixes, amb una excepció. Per als circuits analògics, hi ha un altre punt a tenir en compte, és a dir, mantenir les línies de senyal digital i els bucles en el pla de terra el més lluny possible dels circuits analògics. Això es pot aconseguir connectant el pla de terra analògic a la connexió de terra del sistema per separat, o col·locant el circuit analògic a l'extrem més llunyà de la placa de circuit, que és el final de la línia. Això es fa per mantenir al mínim les interferències externes en el camí del senyal.

No cal fer-ho per als circuits digitals, que poden tolerar molt soroll en el pla de terra sense problemes.

La figura 4 (esquerra) aïlla l'acció de commutació digital del circuit analògic i separa les parts digitals i analògiques del circuit. (Dreta) L'alta freqüència i la baixa freqüència s'han de separar tant com sigui possible i els components d'alta freqüència han d'estar a prop dels connectors de la placa de circuit.

Figura 5 Disposició de dues traces properes al PCB, és fàcil formar capacitat paràsit. A causa de l'existència d'aquest tipus de capacitat, un canvi ràpid de tensió en una traça pot generar un senyal de corrent a l'altra traça.

Figura 6 Si no presteu atenció a la col·locació de les traces, les traces del PCB poden produir inductància de línia i inductància mútua. Aquesta inductància parasitària és molt perjudicial per al funcionament dels circuits, inclosos els circuits de commutació digitals.

▍Ubicació dels components

Com s'ha esmentat anteriorment, en cada disseny de PCB, la part sorollosa del circuit i la part "tranquil·la" (part sense soroll) s'han de separar. En termes generals, els circuits digitals són "rics" en soroll i són insensibles al soroll (perquè els circuits digitals tenen una tolerància al soroll de voltatge més gran); per contra, la tolerància al soroll de tensió dels circuits analògics és molt menor.

Dels dos, els circuits analògics són els més sensibles al soroll de commutació. En el cablejat d'un sistema de senyal mixt, aquests dos circuits s'han de separar, tal com es mostra a la figura 4.
　　
▍Components paràsits generats pel disseny de PCB

Dos elements paràsits bàsics que poden causar problemes es formen fàcilment en el disseny de PCB: la capacitat paràsit i la inductància paràsit.

Quan es dissenya una placa de circuits, col·locar dues traces a prop l'una de l'altra generarà una capacitat parasitària. Podeu fer això: En dues capes diferents, col·loqueu un rastre a sobre de l'altre; o a la mateixa capa, col·loqueu un rastre al costat de l'altre rastre, tal com es mostra a la figura 5.
　　
En aquestes dues configuracions de traça, els canvis de tensió al llarg del temps (dV/dt) en una traça poden provocar corrent a l'altra traça. Si l'altra traça és d'alta impedància, el corrent generat pel camp elèctric es convertirà en tensió.
　　
Els transitoris de tensió ràpids es produeixen amb més freqüència al costat digital del disseny del senyal analògic. Si les traces amb transitoris ràpids de tensió estan a prop de traces analògiques d'alta impedància, aquest error afectarà seriosament la precisió del circuit analògic. En aquest entorn, els circuits analògics tenen dos inconvenients: la seva tolerància al soroll és molt inferior a la dels circuits digitals; i les traces d'alta impedància són més freqüents.
　　
L'ús d'una de les dues tècniques següents pot reduir aquest fenomen. La tècnica més utilitzada és canviar la mida entre traces segons l'equació de capacitat. La mida més efectiva per canviar és la distància entre les dues traces. Cal tenir en compte que la variable d es troba en el denominador de l'equació de capacitat. A mesura que augmenta d, la reactància capacitiva disminuirà. Una altra variable que es pot canviar és la longitud de les dues traces. En aquest cas, la longitud L disminueix i també disminuirà la reactància capacitiva entre les dues traces.
　　
Una altra tècnica és posar un cable de terra entre aquestes dues traces. El cable de terra és de baixa impedància i afegir un altre rastre com aquest debilitarà el camp elèctric d'interferència, tal com es mostra a la figura 5.
　　
El principi de la inductància paràsit a la placa de circuit és similar al de la capacitat paràsit. També és traçar dos rastres. En dues capes diferents, col·loqueu un rastre a sobre de l'altre; o a la mateixa capa, col·loqueu un rastre al costat de l'altre, tal com es mostra a la figura 6.

En aquestes dues configuracions de cablejat, el canvi de corrent (dI/dt) d'una traça amb el temps, a causa de la inductància d'aquesta traça, generarà tensió a la mateixa traça; i a causa de l'existència d'inductància mútua, es genera un corrent proporcional a l'altra traça. Si el canvi de tensió a la primera traça és prou gran, la interferència pot reduir la tolerància de tensió del circuit digital i provocar errors. Aquest fenomen no només es produeix en circuits digitals, sinó que aquest fenomen és més comú en circuits digitals a causa dels grans corrents de commutació instantània en els circuits digitals.
　　
Per eliminar el soroll potencial de les fonts d'interferència electromagnètica, el millor és separar les línies analògiques "tranquilles" dels ports d'E/S sorollosos. Per intentar aconseguir una xarxa d'energia i terra de baixa impedància, s'ha de minimitzar la inductància dels cables del circuit digital i l'acoblament capacitiu dels circuits analògics.
　　
03

Conclusió

Un cop determinats els rangs digitals i analògics, un enrutament acurat és essencial per a un PCB reeixit. L'estratègia de cablejat s'acostuma a presentar a tothom com a regla general, ja que és difícil provar l'èxit final del producte en un entorn de laboratori. Per tant, malgrat les similituds en les estratègies de cablejat dels circuits digitals i analògics, les diferències en les seves estratègies de cablejat s'han de reconèixer i prendre seriosament.