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

Počet digitálních návrhářů a odborníků na návrh desky digitálních obvodů v oblasti inženýrství neustále roste, což odráží vývojový trend odvětví. Ačkoli důraz na digitální design přinesl velký vývoj v elektronických produktech, stále existuje a vždy budou existovat nějaké návrhy obvodů, které se propojí s analogovým nebo skutečným prostředím. Strategie zapojení v analogových a digitálních polích mají určité podobnosti, ale pokud chcete dosáhnout lepších výsledků, kvůli jejich různým strategiím zapojení není návrh jednoduchých obvodů již optimálním řešením.

Tento článek pojednává o základních podobnostech a rozdílech mezi analogovými a digitálními zapojeními z hlediska obtokových kondenzátorů, napájecích zdrojů, návrhu země, chyb napětí a elektromagnetického rušení (EMI) způsobené zapojením PCB.

Přidání obchvatu nebo oddělení kondenzátorů na desce obvodu a umístění těchto kondenzátorů na desce je zdravým rozumem pro digitální a analogové vzory. Je však zajímavé, že důvody jsou odlišné.

V designu analogových kabelů se obtokové kondenzátory obvykle používají k obcházení vysokofrekvenčních signálů na napájení. Pokud nejsou přidány obtokové kondenzátory, mohou tyto vysokofrekvenční signály vstoupit do citlivých analogových čipů prostřednictvím kolíků napájení. Obecně řečeno, frekvence těchto vysokofrekvenčních signálů překračuje schopnost analogových zařízení potlačit vysokofrekvenční signály. Pokud se kondenzátor obtoku nepoužívá v analogovém obvodu, může být zaveden šum do signální dráhy a ve vážnějších případech může dokonce způsobit vibrace.

Při analogovém a digitálním návrhu PCB by měly být obtokové nebo oddělení kondenzátorů (0,1UF) umístěny co nejblíže zařízení. Kondenzátor napájecího zdroje (10UF) by měl být umístěn na vstup do elektrické desky. Ve všech případech by kolíky těchto kondenzátorů měly být krátké.

Na desce obvodu na obrázku 2 se používají různé trasy ke směrování výkonu a zemních vodičů. Vzhledem k této nesprávné spolupráci jsou elektronické komponenty a obvody na desce obvodu s větší pravděpodobností vystaveny elektromagnetickému rušení.

V jednom panelu na obrázku 3 jsou napájecí a zemní dráty ke komponentám na desce obvodu blízko sebe. Poměr shody elektrického vedení a pozemní čára v této desce je vhodný, jak je znázorněno na obrázku 2. Pravděpodobnost elektronických komponent a obvodů v desce obvodu podrobených elektromagnetickému rušení (EMI) je snížena o 679/12,8krát nebo asi 54krát.
　　
U digitálních zařízení, jako jsou ovladače a procesory, jsou také vyžadovány oddělení kondenzátorů, ale z různých důvodů. Jednou z funkcí těchto kondenzátorů je působit jako „miniaturní“ nábojová banka.

V digitálních obvodech je obvykle nutné velké množství proudu pro provádění přepínání stavu brány. Vzhledem k tomu, že přepínání přechodných proudů se generuje na čipu během přepínání a protékací desky obvodu, je výhodné mít další „náhradní“ poplatky. Pokud při provádění přepínací akce není dostatek náboje, napětí napájení se značně změní. Příliš mnoho změny napětí způsobí, že úroveň digitálního signálu vstoupí do nejistého stavu a může způsobit, že stavový stroj v digitálním zařízení bude fungovat nesprávně.

Přepínací proud protékající stopou desky obvodu způsobí, že se změní napětí a stopa obvodu má parazitickou indukci. Následující vzorec lze použít pro výpočet změny napětí: V = LDI/DT. Mezi nimi: V = změna napětí, L = indukčnost desky na desce obvodu, di = změna proudu přes stopu, dt = doba změny proudu.
　　
Z mnoha důvodů je proto lepší aplikovat obchvate (nebo oddělení) kondenzátorů na napájení nebo na napájecí kolíky aktivních zařízení.

Napájecí šňůra a zemnící vodič by měly být směrovány dohromady

Poloha napájecího kabelu a zemního drátu je dobře přizpůsobena, aby se snížila možnost elektromagnetického rušení. Pokud není elektrická vedení a pozemní linka správně porovnávána, bude navržena systémová smyčka a pravděpodobně bude generován šum.

Příklad návrhu PCB, kde se elektrická linka a pozemní čára neshodují na obrázku 2. Na této desce obvodu je navržena oblast smyčky 697 cm². Použití metody znázorněné na obrázku 3 lze výrazně snížit možnost vyzařovaného šumu na nebo mimo ni napětí na desce obvodu ve smyčce.

Rozdíl mezi analogovými a digitálními strategiemi zapojení

▍ Pozemní rovina je problém

Základní znalost zapojení desky obvodů je použitelná jak pro analogové i digitální obvody. Základním pravidlem je použití nepřetržité pozemní roviny. Tento zdravý rozum snižuje účinek DI/DT (změna proudu s časem) v digitálních obvodech, který mění zemní potenciál a způsobuje, že šum vstupuje do analogových obvodů.

Techniky zapojení pro digitální a analogové obvody jsou v podstatě stejné, s jednou výjimkou. U analogových obvodů je třeba poznamenat další bod, tj. Udržujte digitální signální linky a smyčky v základní rovině co nejdále od analogových obvodů. Toho lze dosáhnout samostatně připojením analogové zemní roviny k pozemnímu připojení systému nebo umístěním analogového obvodu na opačný konec desky obvodu, což je konec linie. To se provádí pro udržení vnějšího rušení na signální cestě na minimum.

Není třeba to dělat pro digitální obvody, které mohou bez problémů tolerovat hodně hluku na základní rovině.

Obrázek 4 (vlevo) izoluje působení digitálního přepínání z analogového obvodu a odděluje digitální a analogové části obvodu. (Vpravo) Vysoká frekvence a nízká frekvence by měla být co nejvíce oddělena a vysokofrekvenční komponenty by měly být blízko konektorů desky obvodu.

Obrázek 5 Rozložení Dvě blízké stopy na PCB je snadné vytvořit parazitickou kapacitu. Vzhledem k existenci tohoto druhu kapacitance může rychlá změna napětí na jedné stopě generovat proudový signál na druhé stopě.

Obrázek 6 Pokud nevěnujete pozornost umístění stop, mohou stopy v PCB vytvořit indukčnost linky a vzájemnou indukčnost. Tato parazitická indukčnost je velmi škodlivá pro provoz obvodů včetně digitálních přepínacích obvodů.

Umístění ▍ Component

Jak je uvedeno výše, v každém návrhu desky PCB by měla být šumová část obvodu a „tichá“ část (ne-šéf) oddělena. Obecně lze říci, že digitální obvody jsou „bohaté“ v šumu a jsou necitlivé na hluk (protože digitální obvody mají větší toleranci šumu napětí); Naopak, tolerance šumu napětí na analogových obvodech napětí je mnohem menší.

Z těchto dvou analogových obvodů jsou nejcitlivější na přepínací šum. Při zapojení systému smíšeného signálu by tyto dva obvody měly být odděleny, jak je znázorněno na obrázku 4.
　　
▍Parazitické komponenty generované návrhem PCB

V návrhu PCB se snadno vytvoří dva základní parazitické prvky, které mohou způsobit problémy: parazitická kapacita a parazitická indukčnost.

Při navrhování desky s obvodem vytvoří dva stopy blízko sebe navzájem parazitární kapacita. Můžete to udělat: Na dvě různé vrstvy položte jednu stopu na druhou stopu; nebo na stejnou vrstvu, umístěte jednu stopu vedle druhé stopy, jak je znázorněno na obrázku 5.
　　
V těchto dvou konfiguracích stopování mohou změny napětí v průběhu času (dv/dt) na jedné stopě způsobit proud na druhé stopě. Pokud je druhá stopa vysoká impedance, proud generovaný elektrickým polem bude převeden na napětí.
　　
Na digitální straně návrhu analogového signálu se nejčastěji vyskytují rychlé napětí. Pokud jsou stopy s rychlým přechodem napětí blízko analogových stop s vysokým impedancí, 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 častější.
　　
Použití jedné z následujících dvou technik může tento jev snížit. Nejčastěji používanou technikou je změnit velikost mezi stopami podle kapacitní rovnice. Nejúčinnější velikostí pro změnu je vzdálenost mezi oběma stopami. Je třeba poznamenat, že proměnná d je v jmenovateli kapacitní rovnice. Jak se D zvyšuje, kapacitní reaktance se sníží. Další proměnnou, kterou lze změnit, je délka dvou stop. V tomto případě se délka L zmenšuje a kapacitní reaktance mezi oběma stopami se také sníží.
　　
Další technikou je položit mezi těmito dvěma stopami mletý vodič. Uzemňovací vodič je nízká impedance a přidání další stopy, jako je tento, oslabí interferenční elektrické pole, jak je znázorněno na obrázku 5.
　　
Princip parazitické indukčnosti v desce obvodu je podobný principu parazitické kapacity. Je to také k rozložení dvou stop. Na dvě různé vrstvy položte jednu stopu na druhou stopu; nebo na stejnou vrstvu, umístěte jednu stopu vedle druhé, jak je znázorněno na obrázku 6.

V těchto dvou konfiguracích zapojení bude aktuální změna (DI/DT) stopy s časem vzhledem k indukci této stopy generovat napětí na stejné stopě; A vzhledem k existenci vzájemné indukčnosti bude generován proporcionální proud na druhé stopě. Pokud je změna napětí na první stopě dostatečně velká, může rušení snížit toleranci napětí v digitálním obvodu a způsobit chyby. Tento jev se vyskytuje nejen v digitálních obvodech, ale tento jev je častější v digitálních obvodech kvůli velkým okamžitým přepínacím proudům v digitálních obvodech.
　　
Pro odstranění potenciálního šumu ze zdrojů elektromagnetického rušení je nejlepší oddělit „tiché“ analogové čáry od hlučných I/O portů. Abychom se pokusili dosáhnout výkonu a pozemní sítě s nízkou impedancí, měla by být minimalizována indukčnost vodičů digitálního obvodu a měla by být minimalizována kapacitní vazba analogových obvodů.
　　
03

Závěr

Po stanovení digitálních a analogových rozsahů je pro úspěšnou PCB nezbytné opatrné směrování. Strategie zapojení je obvykle zaváděna všem zpravidla, protože je obtížné otestovat konečný úspěch produktu v laboratorním prostředí. Proto, navzdory podobnostem ve strategiích zapojení digitálních a analogových obvodů, musí být rozdíly v jejich strategiích kabeláží rozpoznány a brát vážně.