Antallet af digitale designere og digitale kredsløbsdesigneksperter inden for ingeniørområdet stiger konstant, hvilket afspejler udviklingstendensen i branchen. Selvom vægten på digitalt design har medført store udviklinger inden for elektroniske produkter, eksisterer det stadig, og der vil altid være nogle kredsløbsdesigns, der interfacer med analoge eller virkelige miljøer. Ledningsstrategier inden for det analoge og digitale felt har nogle ligheder, men når du ønsker at opnå bedre resultater på grund af deres forskellige ledningsstrategier, er simpelt kredsløbsledningsdesign ikke længere den optimale løsning.

Denne artikel diskuterer de grundlæggende ligheder og forskelle mellem analoge og digitale ledninger med hensyn til bypass-kondensatorer, strømforsyninger, jorddesign, spændingsfejl og elektromagnetisk interferens (EMI) forårsaget af PCB-ledninger.

Antallet af digitale designere og digitale kredsløbsdesigneksperter inden for ingeniørområdet stiger konstant, hvilket afspejler udviklingstendensen i branchen. Selvom vægten på digitalt design har medført store udviklinger inden for elektroniske produkter, eksisterer det stadig, og der vil altid være nogle kredsløbsdesigns, der interfacer med analoge eller virkelige miljøer. Ledningsstrategier inden for det analoge og digitale felt har nogle ligheder, men når du ønsker at opnå bedre resultater på grund af deres forskellige ledningsstrategier, er simpelt kredsløbsledningsdesign ikke længere den optimale løsning.

Denne artikel diskuterer de grundlæggende ligheder og forskelle mellem analoge og digitale ledninger med hensyn til bypass-kondensatorer, strømforsyninger, jorddesign, spændingsfejl og elektromagnetisk interferens (EMI) forårsaget af PCB-ledninger.

Tilføjelse af bypass- eller afkoblingskondensatorer på printkortet og placeringen af ​​disse kondensatorer på printkortet er sund fornuft for digitale og analoge designs. Men interessant nok er årsagerne forskellige.

I analogt ledningsdesign bruges bypass-kondensatorer normalt til at omgå højfrekvente signaler på strømforsyningen. Hvis der ikke tilføjes bypass-kondensatorer, kan disse højfrekvente signaler komme ind i følsomme analoge chips gennem strømforsyningens ben. Generelt overstiger frekvensen af ​​disse højfrekvente signaler analoge enheders evne til at undertrykke højfrekvente signaler. Hvis bypass-kondensatoren ikke bruges i det analoge kredsløb, kan der indføres støj i signalvejen, og i mere alvorlige tilfælde kan det endda forårsage vibrationer.

I analogt og digitalt PCB-design bør bypass- eller afkoblingskondensatorer (0,1uF) placeres så tæt på enheden som muligt. Strømforsyningens afkoblingskondensator (10uF) skal placeres ved strømforsyningsindgangen til printkortet. I alle tilfælde skal stifterne på disse kondensatorer være korte.

På printkortet i figur 2 bruges forskellige ruter til at føre strøm- og jordledningerne. På grund af dette ukorrekte samarbejde er de elektroniske komponenter og kredsløb på printkortet mere tilbøjelige til at blive udsat for elektromagnetisk interferens.

I det enkelte panel i figur 3 er strøm- og jordledningerne til komponenterne på printkortet tæt på hinanden. Tilpasningsforholdet mellem strømledningen og jordledningen i dette printkort er passende som vist i figur 2. Sandsynligheden for, at elektroniske komponenter og kredsløb i printkortet udsættes for elektromagnetisk interferens (EMI) reduceres med 679/12,8 gange eller cirka 54 gange.
　　
For digitale enheder som controllere og processorer kræves også afkoblingskondensatorer, men af ​​forskellige årsager. En funktion af disse kondensatorer er at fungere som en "miniature" opladningsbank.

I digitale kredsløb kræves der normalt en stor mængde strøm for at udføre gatetilstandsskift. Da der genereres koblingstransiente strømme på chippen under kobling og strømning gennem printkortet, er det fordelagtigt at have yderligere "reserve"-afgifter. Hvis der ikke er tilstrækkelig opladning, når du udfører omskiftningshandlingen, vil strømforsyningsspændingen ændre sig meget. For meget spændingsændring vil få det digitale signalniveau til at gå ind i en usikker tilstand og kan få tilstandsmaskinen i den digitale enhed til at fungere forkert.

Omskifterstrømmen, der strømmer gennem kredsløbssporet, vil få spændingen til at ændre sig, og kredsløbssporet har parasitisk induktans. Følgende formel kan bruges til at beregne spændingsændringen: V = LdI/dt. Blandt dem: V = spændingsændring, L = kredsløbssporinduktans, dI = strømændring gennem sporet, dt = strømændringstid.
　　
Derfor er det af mange grunde bedre at anvende bypass (eller afkobling) kondensatorer ved strømforsyningen eller på strømforsyningens ben på aktive enheder.

Netledningen og jordledningen skal føres sammen

Placeringen af ​​strømkablet og jordledningen er godt afstemt for at reducere muligheden for elektromagnetisk interferens. Hvis strømledningen og jordledningen ikke er korrekt afstemt, vil en systemløkke blive designet, og der vil sandsynligvis blive genereret støj.

Et eksempel på et printdesign, hvor strømledningen og jordledningen ikke er korrekt matchet, er vist i figur 2. På dette printkort er det designede sløjfeareal 697 cm². Ved at bruge metoden vist i figur 3 kan muligheden for, at udstrålet støj på eller fra printkortet inducerer spænding i sløjfen reduceres betydeligt.

Forskellen mellem analoge og digitale ledningsstrategier

▍ Jordplanet er et problem

Den grundlæggende viden om kredsløbskort er anvendelig til både analoge og digitale kredsløb. En grundlæggende tommelfingerregel er at bruge et uafbrudt jordplan. Denne sunde fornuft reducerer dI/dt-effekten (ændring i strøm med tiden) i digitale kredsløb, hvilket ændrer jordpotentialet og får støj til at komme ind i analoge kredsløb.

Ledningsteknikkerne til digitale og analoge kredsløb er grundlæggende de samme, med en undtagelse. For analoge kredsløb er der et andet punkt at bemærke, det vil sige at holde de digitale signallinjer og sløjfer i jordplanet så langt væk fra de analoge kredsløb som muligt. Dette kan opnås ved at tilslutte det analoge jordplan til systemjordforbindelsen separat, eller ved at placere det analoge kredsløb i den fjerneste ende af printkortet, som er enden af ​​linjen. Dette gøres for at holde den eksterne interferens på signalvejen på et minimum.

Det er ikke nødvendigt at gøre dette for digitale kredsløb, som uden problemer kan tåle meget støj på jordplanet.

Figur 4 (venstre) isolerer den digitale koblingshandling fra det analoge kredsløb og adskiller de digitale og analoge dele af kredsløbet. (Højre) Højfrekvensen og lavfrekvensen skal adskilles så meget som muligt, og højfrekvenskomponenterne skal være tæt på printkortstikkene.

Figur 5 Layout to tætte spor på printet, det er let at danne parasitisk kapacitans. På grund af eksistensen af ​​denne form for kapacitans kan en hurtig spændingsændring på den ene kurve generere et strømsignal på den anden kurve.

Figur 6 Hvis du ikke er opmærksom på placeringen af ​​sporene, kan sporene i printkortet give linjeinduktans og gensidig induktans. Denne parasitære induktans er meget skadelig for driften af ​​kredsløb, herunder digitale koblingskredsløb.

▍ Komponentplacering

Som nævnt ovenfor skal støjdelen af ​​kredsløbet og den "støjsvage" del (ikke-støjdelen) adskilles i hvert PCB-design. Generelt set er digitale kredsløb "rige" på støj og er ufølsomme over for støj (fordi digitale kredsløb har en større spændingsstøjtolerance); tværtimod er spændingsstøjtolerancen for analoge kredsløb meget mindre.

Af de to er analoge kredsløb de mest følsomme over for skiftestøj. I ledningsføringen af ​​et blandet signalsystem skal disse to kredsløb adskilles, som vist i figur 4.
　　
▍Parasitiske komponenter genereret af PCB-design

To grundlæggende parasitiske elementer, der kan forårsage problemer, dannes let i PCB-design: parasitisk kapacitans og parasitisk induktans.

Når du designer et printkort, vil placering af to spor tæt på hinanden generere parasitisk kapacitans. Du kan gøre dette: På to forskellige lag skal du placere et spor oven på det andet spor; eller på det samme lag placeres et spor ved siden af ​​det andet spor, som vist i figur 5.
　　
I disse to sporkonfigurationer kan ændringer i spænding over tid (dV/dt) på den ene kurve forårsage strøm på den anden kurve. Hvis det andet spor er højimpedans, vil den strøm, der genereres af det elektriske felt, blive omdannet til spænding.
　　
Hurtige spændingstransienter forekommer oftest på den digitale side af det analoge signaldesign. Hvis sporene med hurtige spændingstransienter er tæt på analoge spor med høj impedans, vil denne fejl alvorligt påvirke nøjagtigheden af ​​det analoge kredsløb. I dette miljø har analoge kredsløb to ulemper: deres støjtolerance er meget lavere end for digitale kredsløb; og spor med høj impedans er mere almindelige.
　　
Brug af en af ​​følgende to teknikker kan reducere dette fænomen. Den mest almindeligt anvendte teknik er at ændre størrelsen mellem spor i henhold til kapacitansligningen. Den mest effektive størrelse at ændre er afstanden mellem de to spor. Det skal bemærkes, at variablen d er i nævneren af ​​kapacitansligningen. Når d stiger, vil den kapacitive reaktans falde. En anden variabel, der kan ændres, er længden af ​​de to spor. I dette tilfælde falder længden L, og den kapacitive reaktans mellem de to spor vil også falde.
　　
En anden teknik er at lægge en jordledning mellem disse to spor. Jordledningen har lav impedans, og tilføjelse af endnu et spor som dette vil svække det elektriske interferensfelt, som vist i figur 5.
　　
Princippet om parasitisk induktans i printkortet svarer til parasitisk kapacitans. Det er også at lægge to spor ud. På to forskellige lag placeres et spor oven på det andet spor; eller på det samme lag placeres et spor ved siden af ​​det andet, som vist i figur 6.

I disse to ledningskonfigurationer vil strømændringen (dI/dt) af et spor med tiden, på grund af induktansen af ​​dette spor, generere spænding på det samme spor; og på grund af eksistensen af ​​gensidig induktans, vil det En proportional strøm genereres på den anden kurve. Hvis spændingsændringen på det første spor er stor nok, kan interferens reducere det digitale kredsløbs spændingstolerance og forårsage fejl. Dette fænomen forekommer ikke kun i digitale kredsløb, men dette fænomen er mere almindeligt i digitale kredsløb på grund af de store øjeblikkelige koblingsstrømme i digitale kredsløb.
　　
For at eliminere potentiel støj fra elektromagnetiske interferenskilder er det bedst at adskille "stille" analoge linjer fra støjende I/O-porte. For at forsøge at opnå et strøm- og jordnetværk med lav impedans, bør induktansen af ​​digitale kredsløbsledninger minimeres, og den kapacitive kobling af analoge kredsløb bør minimeres.
　　
03

Konklusion

Efter at de digitale og analoge områder er bestemt, er omhyggelig routing afgørende for et vellykket PCB. Ledningsstrategi introduceres normalt for alle som en tommelfingerregel, fordi det er svært at teste produktets ultimative succes i et laboratoriemiljø. Derfor, på trods af lighederne i ledningsstrategierne for digitale og analoge kredsløb, skal forskellene i deres ledningsstrategier anerkendes og tages alvorligt.