El nombre de dissenyadors digitals i experts en disseny de la placa 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 importants desenvolupaments en productes electrònics, encara existeix, i sempre hi haurà alguns dissenys de circuits que interfereixen amb entorns analògics o reals. Les estratègies de cablejat en els camps analògics i digitals tenen algunes similituds, però quan voleu obtenir millors resultats, a causa de les seves diferents estratègies de cablejat, el disseny senzill de cablejat de circuit ja no és la solució òptima.

Aquest article tracta les similituds i diferències bàsiques entre el cablejat analògic i el 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 la placa 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 importants desenvolupaments en productes electrònics, encara existeix, i sempre hi haurà alguns dissenys de circuits que interfereixen amb entorns analògics o reals. Les estratègies de cablejat en els camps analògics i digitals tenen algunes similituds, però quan voleu obtenir millors resultats, a causa de les seves diferents estratègies de cablejat, el disseny senzill de cablejat de circuit ja no és la solució òptima.

Aquest article tracta les similituds i diferències bàsiques entre el cablejat analògic i el 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 els condensadors de bypass o desacoblament a la placa del circuit i la ubicació d’aquests condensadors a la placa són de sentit comú per a dissenys digitals i analògics. Però, interessant, les raons són diferents.

En el disseny del cablejat analògic, els condensadors de bypass solen utilitzar-se per evitar els senyals d'alta freqüència a la font d'alimentació. Si no s’afegeixen condensadors de bypass, aquests senyals d’alta freqüència poden introduir xips analògics sensibles a través dels pins d’alimentació. En general, la freqüència d’aquests senyals d’alta freqüència supera la capacitat dels dispositius analògics de suprimir els senyals d’alta freqüència. Si el condensador de bypass no s’utilitza al circuit analògic, es pot introduir soroll a la ruta del senyal i, en casos més greus, fins i tot pot causar vibració.

En el disseny de PCB analògic i digital, els condensadors de bypass o desacoblament (0.1UF) s’han de situar el més a prop possible del dispositiu. El condensador de desacoblament d’alimentació (10UF) s’ha de col·locar a l’entrada de la línia elèctrica de la placa del circuit. En tots els casos, els pins d’aquests condensadors haurien de ser curts.

A la placa de circuit de la figura 2, s’utilitzen diferents rutes per encaminar els cables de potència i terra. A causa d'aquesta cooperació inadequada, els components electrònics i els circuits de la placa de circuit són més propensos a ser sotmesos a interferències electromagnètiques.

Al panell únic de la figura 3, els cables de potència i terra als components de la placa del circuit es troben a prop. La relació de concordança de la línia elèctrica i la línia de terra d'aquesta placa de circuit és adequada com es mostra a la figura 2. La probabilitat de components i circuits electrònics de la placa de circuit sotmesos a interferències electromagnètiques (EMI) es redueix en 679/12,8 vegades o aproximadament 54 vegades.
　　
Per a dispositius digitals com ara controladors i processadors, també es requereixen condensadors de desacoblament, però per diferents motius. Una de les funcions d’aquests condensadors és actuar com a banc de càrrecs “en miniatura”.

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

El corrent de commutació que flueix per la traça de la placa del circuit farà que la tensió canviï i la traça de la placa de circuit tingui inductància paràsita. La fórmula següent es pot utilitzar per calcular el canvi de tensió: 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 d’alimentació dels dispositius actius.

El cordó d’alimentació i el fil de terra s’han d’encaminar

La posició del cordó d’alimentació i el fil de terra es combinen per reduir la possibilitat d’interferències electromagnètiques. Si la línia elèctrica i la línia de terra no s’ajusten 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 es mostren correctament. En aquesta placa de circuit, la zona de bucle dissenyada és de 697cm². Utilitzant el mètode que es mostra a la figura 3, es pot reduir molt la possibilitat de soroll irradiat a la tensió que indueixi la placa de circuit al bucle.

La diferència entre les estratègies de cablejat analògic i digital

▍ El pla terrestre és un problema

El coneixement bàsic del cablejat de la placa de circuit és aplicable tant a circuits analògics com digitals. Una regla bàsica és utilitzar un pla terrestre ininterromput. Aquest sentit comú redueix l'efecte DI/DT (canvi de corrent amb el temps) en circuits digitals, que canvia el potencial de terra i fa que el soroll entri a circuits analògics.

Les tècniques de cablejat per a circuits digitals i analògics són bàsicament les mateixes, amb una excepció. Per als circuits analògics, hi ha un altre punt a destacar, és a dir, mantenir les línies de senyal i bucles digitals al pla de terra el més lluny dels circuits analògics. 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 de la placa de circuit, que és el final de la línia. Això es fa per mantenir la interferència externa de la ruta del senyal al mínim.

No cal fer -ho per als circuits digitals, cosa que pot tolerar molt de soroll al 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. (A la dreta) L’alta freqüència i la baixa freqüència s’han de separar el màxim possible i els components d’alta freqüència han d’estar a prop dels connectors de la placa de circuit.

Figura 5 Disposició Dues traces properes al PCB, és fàcil de formar una capacitança parasitària. A causa de l'existència d'aquest tipus de capacitança, un canvi de tensió ràpid 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 paràsita és molt perjudicial per al funcionament de circuits, inclosos els circuits de commutació digital.

▍ Ubicació del component

Com s'ha esmentat anteriorment, en cada disseny del PCB, s'hauria de separar la part de soroll del circuit i la part "tranquil" (part no soroll). En general, els circuits digitals són “rics” en soroll i són insensibles al soroll (perquè els circuits digitals tenen una tolerància al soroll de tensió més gran); Per contra, la tolerància al soroll de la tensió dels circuits analògics és molt menor.

De les dues, els circuits analògics són els més sensibles al soroll de la 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 parasitics generats pel disseny del PCB

Dos elements paràsits bàsics que poden causar problemes es formen fàcilment en el disseny del PCB: la capacitança parasitària i la inductància paràsita.

Quan es dissenyi una placa de circuit, col·locar dues traces a prop les unes de les altres generarà una capacitança parasitària. Podeu fer -ho: en dues capes diferents, poseu una traça a sobre de l’altra rastre; o a la mateixa capa, col·loqueu una traça al costat de l’altra traça, tal com es mostra a la figura 5.
　　
En aquestes dues configuracions de traça, els canvis en la tensió al llarg del temps (DV/DT) en una traça poden causar corrent a l’altra rastre. Si l’altra traça és d’alta impedància, el corrent generat pel camp elèctric es convertirà en tensió.
　　
Els transitoris de tensió ràpida es produeixen més sovint al costat digital del disseny del senyal analògic. Si les traces amb transitoris de tensió ràpida són properes a traces analògiques d’alta impedància, aquest error afectarà greument la precisió del circuit analògic. En aquest entorn, els circuits analògics tenen dos desavantatges: la seva tolerància al soroll és molt inferior a la dels circuits digitals; i les traces d’alta impedància són més habituals.
　　
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 la capacitança. La mida més eficaç per canviar és la distància entre les dues traces. Cal destacar que la variable D es troba en el denominador de l’equació de capacitança. A mesura que D augmenta, 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 la reactància capacitiva entre les dues traces també disminuirà.
　　
Una altra tècnica és posar un fil de terra entre aquestes dues traces. El fil de terra és baixa impedància i afegir una altra traça com aquesta debilitarà el camp elèctric d’interferència, tal com es mostra a la figura 5.
　　
El principi de la inductància paràsita a la placa de circuit és similar al de la capacitança parasitària. També és posar dos rastres. En dues capes diferents, poseu una traça a sobre de l’altra rastre; o a la mateixa capa, col·loqueu una traça al costat de l’altra, tal com es mostra a la figura 6.

En aquestes dues configuracions de cablejat, el canvi actual (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 generarà un corrent proporcional a l'altre rastre. Si el canvi de tensió de la primera traça és prou gran, la interferència pot reduir la tolerància de la tensió del circuit digital i provocar errors. Aquest fenomen no només es produeix en circuits digitals, sinó que aquest fenomen és més comú en els circuits digitals a causa dels grans corrents de commutació instantanis en circuits digitals.
　　
Per eliminar el soroll potencial de les fonts d’interferència electromagnètica, el millor és separar les línies analògiques “tranquil·les” dels ports sorollosos d’E/S. Per intentar assolir una potència de baixa impedància i una xarxa de terra, s’ha de minimitzar la inductància dels cables del circuit digital i s’ha de minimitzar l’acoblament capacitiu dels circuits analògics.
　　
03

Conclusió

Després que es determinin els intervals digitals i analògics, l’encaminament minuciós és essencial per a un PCB amb èxit. L’estratègia de cablejat s’introdueix normalment a tothom per regla general, perquè 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.