Proč je v návrhu PCB rozdíl mezi analogovým obvodem a digitálním obvodem tak velký?

Počet digitálních designérů a odborníků na návrh digitálních desek plošných spojů v oblasti strojírenství se neustále zvyšuje, což odráží vývojový trend tohoto odvětví. Ačkoli důraz na digitální design přinesl významný vývoj v elektronických produktech, stále existuje a vždy budou existovat návrhy obvodů, které se propojují s analogovým nebo skutečným prostředím. Strategie zapojení v analogových a digitálních oblastech mají určité podobnosti, ale pokud chcete dosáhnout lepších výsledků, kvůli jejich odlišným strategiím zapojení, jednoduchý návrh zapojení obvodu již není optimálním řešením.

Tento článek pojednává o základních podobnostech a rozdílech mezi analogovým a digitálním zapojením, pokud jde o bypass kondenzátory, napájecí zdroje, návrh uzemnění, napěťové chyby a elektromagnetické rušení (EMI) způsobené zapojením PCB.

Přidání přemosťovacích nebo oddělovacích kondenzátorů na obvodovou desku a umístění těchto kondenzátorů na desce jsou pro digitální a analogové konstrukce selským rozumem. Ale zajímavé je, že důvody jsou různé.

Při návrhu analogového zapojení se obtokové kondenzátory obvykle používají k obejití vysokofrekvenčních signálů na napájecím zdroji. Pokud nejsou přidány obtokové kondenzátory, mohou tyto vysokofrekvenční signály vstupovat do citlivých analogových čipů přes napájecí kolíky. Obecně řečeno, frekvence těchto vysokofrekvenčních signálů převyšuje schopnost analogových zařízení potlačit vysokofrekvenční signály. Pokud není v analogovém obvodu použit bypass kondenzátor, může se do signálové cesty zanést šum a ve vážnějších případech může způsobit dokonce vibrace.

V analogovém a digitálním provedení PCB by měly být bypass nebo oddělovací kondenzátory (0,1uF) umístěny co nejblíže k zařízení. Oddělovací kondenzátor napájení (10uF) by měl být umístěn na vstupu elektrického vedení na desce plošných spojů. Ve všech případech by měly být kolíky těchto kondenzátorů krátké.

Na desce s obvody na obrázku 2 jsou použity různé trasy pro vedení napájecích a zemnících vodičů. V důsledku této nesprávné spolupráce jsou elektronické součástky a obvody na desce plošných spojů náchylnější k elektromagnetickému rušení.

Na jednom panelu na obrázku 3 jsou napájecí a zemnící vodiče ke komponentám na desce plošných spojů blízko sebe. Poměr přizpůsobení napájecího vedení a zemního vedení v této desce s obvody je vhodný, jak je znázorněno na obrázku 2. Pravděpodobnost, že elektronické součástky a obvody na desce s obvody budou vystaveny elektromagnetickému rušení (EMI), se sníží 679/12,8krát resp. asi 54krát.
　　
Pro digitální zařízení, jako jsou řadiče a procesory, jsou také vyžadovány oddělovací kondenzátory, ale z různých důvodů. Jednou z funkcí těchto kondenzátorů je fungovat jako „miniaturní“ nabíjecí banka.

V digitálních obvodech je k přepínání stavu hradla obvykle zapotřebí velké množství proudu. Protože se na čipu při spínání generují spínací přechodové proudy, které protékají obvodovou deskou, je výhodné mít další „náhradní“ náboje. Pokud při provádění spínací akce není dostatečné nabití, napájecí napětí se výrazně změní. Příliš velká změna napětí způsobí, že úroveň digitálního signálu vstoupí do nejistého stavu a může způsobit nesprávnou činnost stavového automatu v digitálním zařízení.

Spínací proud protékající stopou obvodové desky způsobí změnu napětí a stopa obvodové desky má parazitní indukčnost. Pro výpočet změny napětí lze použít následující vzorec: V = LdI/dt. Mezi nimi: V = změna napětí, L = indukčnost stopy obvodové desky, dI = změna proudu ve stopě, dt = doba změny proudu.
　　
Proto je z mnoha důvodů lepší použít bypass (nebo oddělovací) kondenzátory na napájecím zdroji nebo na napájecích pinech aktivních zařízení.

Napájecí kabel a zemnící vodič by měly být vedeny společně

Pozice napájecího kabelu a zemnicího vodiče jsou dobře sladěny, aby se snížila možnost elektromagnetického rušení. Pokud elektrické vedení a zemnící vedení nejsou správně sladěny, bude navržena systémová smyčka a bude pravděpodobně generován hluk.

Příklad návrhu PCB, kde napájecí vedení a zemnící vedení nejsou správně sladěny, je znázorněn na obrázku 2. Na této desce plošných spojů je navržená plocha smyčky 697 cm². Použitím metody znázorněné na obrázku 3 lze značně snížit možnost vyzařovaného šumu na nebo mimo obvodovou desku indukující napětí ve smyčce.

Rozdíl mezi strategiemi analogového a digitálního zapojení

▍Uzemňovací rovina je problém

Základní znalosti o zapojení desek plošných spojů jsou použitelné pro analogové i digitální obvody. Základním pravidlem je používat nepřerušovanou zemní plochu. Tento zdravý rozum snižuje efekt dI/dt (změna proudu s časem) v digitálních obvodech, který mění potenciál země a způsobuje, že do analogových obvodů vstupuje šum.

Techniky zapojení pro digitální a analogové obvody jsou v zásadě stejné, s jednou výjimkou. U analogových obvodů je třeba poznamenat ještě jeden bod, to znamená, že vedení digitálního signálu a smyčky v zemní rovině jsou co nejdále od analogových obvodů. Toho lze dosáhnout samostatným připojením analogové zemnící plochy k systémovému uzemnění nebo umístěním analogového obvodu na vzdálenější konec obvodové desky, což je konec vedení. To se provádí proto, aby vnější rušení na cestě signálu bylo minimální.

U digitálních obvodů, které bez problémů snesou velký hluk na zemní ploše, to není potřeba.

Obrázek 4 (vlevo) izoluje digitální spínací činnost od analogového obvodu a odděluje digitální a analogovou část obvodu. (Vpravo) Vysokofrekvenční a nízkofrekvenční by měly být co nejvíce odděleny a vysokofrekvenční komponenty by měly být blízko konektorů desky plošných spojů.

Obrázek 5 Rozložení dvou blízkých stop na desce plošných spojů, je snadné vytvořit parazitní kapacitu. Díky existenci tohoto druhu kapacity může rychlá změna napětí na jedné stopě generovat proudový signál na druhé stopě.

Obrázek 6 Pokud nevěnujete pozornost umístění tras, mohou stopy v desce plošných spojů vytvářet indukčnost vedení a vzájemnou indukčnost. Tato parazitní indukčnost je velmi škodlivá pro provoz obvodů včetně digitálních spínacích obvodů.

▍Umístění součásti

Jak bylo uvedeno výše, v každém návrhu PCB by měla být oddělena šumová část obvodu a „tichá“ část (nešumová část). Obecně řečeno, digitální obvody jsou „bohaté“ na šum a jsou necitlivé na šum (protože digitální obvody mají větší toleranci napěťového šumu); naopak tolerance napěťového šumu analogových obvodů je mnohem menší.

Z těchto dvou jsou analogové obvody nejcitlivější na spínací šum. V zapojení systému se smíšeným signálem by měly být tyto dva obvody odděleny, jak je znázorněno na obrázku 4.
　　
▍Parazitní součástky generované návrhem PCB

V návrhu DPS se snadno vytvoří dva základní parazitní prvky, které mohou způsobit problémy: parazitní kapacita a parazitní indukčnost.

Při navrhování desky plošných spojů bude umístění dvou tras blízko sebe generovat parazitní kapacitu. Můžete to udělat: Na dvě různé vrstvy umístěte jednu stopu na druhou; nebo na stejnou vrstvu umístěte jednu stopu vedle druhé stopy, jak je znázorněno na obrázku 5.
　　
V těchto dvou konfiguracích mohou změny napětí v průběhu času (dV/dt) na jedné trase způsobit proud na druhé trase. Pokud má druhá stopa vysokou impedanci, proud generovaný elektrickým polem se přemění na napětí.
　　
Rychlé přechodové jevy se nejčastěji vyskytují na digitální straně návrhu analogového signálu. Pokud jsou stopy s rychlými napěťovými přechody blízké vysokoimpedančním analogovým trasám, tato chyba vážně ovlivní přesnost analogového obvodu. V tomto prostředí mají analogové obvody dvě nevýhody: jejich tolerance šumu je mnohem nižší než u digitálních obvodů; a stopy s vysokou impedancí jsou běžnější.
　　
Použití jedné z následujících dvou technik může tento jev omezit. Nejčastěji používanou technikou je změna velikosti mezi stopami podle kapacitní rovnice. Nejúčinnější velikost ke změně je vzdálenost mezi dvěma stopami. Je třeba poznamenat, že proměnná d je ve jmenovateli kapacitní rovnice. Jak se d zvyšuje, kapacitní reaktance se snižuje. Další proměnnou, kterou lze změnit, je délka dvou tras. V tomto případě se délka L zmenší a kapacitní reaktance mezi dvěma křivkami se také sníží.
　　
Další technikou je položit zemnící vodič mezi tyto dvě stopy. Zemnící vodič má nízkou impedanci a přidání další stopy, jako je tato, oslabí rušivé elektrické pole, jak je znázorněno na obrázku 5.
　　
Princip parazitní indukčnosti v obvodové desce je podobný jako u parazitní kapacity. Je to také vytyčit dvě stopy. Na dvou různých vrstvách umístěte jednu stopu na druhou; nebo na stejnou vrstvu umístěte jednu stopu vedle druhé, jak je znázorněno na obrázku 6.

V těchto dvou konfiguracích vedení bude změna proudu (dI/dt) stopy s časem v důsledku indukčnosti této stopy generovat napětí na stejné trase; a vzhledem k existenci vzájemné indukčnosti bude na druhé trase generován proporcionální proud. Pokud je změna napětí na první stopě dostatečně velká, rušení může snížit toleranci napětí digitálního obvodu a způsobit chyby. Tento jev se nevyskytuje pouze v digitálních obvodech, ale tento jev je častější v digitálních obvodech kvůli velkým okamžitým spínacím proudům v digitálních obvodech.
　　
Chcete-li eliminovat potenciální šum ze zdrojů elektromagnetického rušení, je nejlepší oddělit „tiché“ analogové linky od zarušených I/O portů. Abychom se pokusili dosáhnout nízkoimpedanční napájecí a zemní sítě, měla by být minimalizována indukčnost vodičů digitálních obvodů a měla by být minimalizována kapacitní vazba analogových obvodů.
　　
03

Závěr

Po určení digitálních a analogových rozsahů je pro úspěšnou desku plošných spojů nezbytné pečlivé směrování. Strategie zapojení je obvykle představena každému jako orientační pravidlo, protože je obtížné otestovat konečný úspěch produktu v laboratorním prostředí. Proto, i přes podobnosti ve strategiích zapojení digitálních a analogových obvodů, musí být rozdíly v jejich strategiích zapojení uznány a brány vážně.