Warum ist beim PCB-Design der Unterschied zwischen analoger und digitaler Schaltung so groß?

Die Zahl der Digitaldesigner und Experten für das Design digitaler Leiterplatten im Ingenieurwesen nimmt ständig zu, was den Entwicklungstrend der Branche widerspiegelt. Obwohl die Betonung des digitalen Designs zu großen Entwicklungen bei elektronischen Produkten geführt hat, existiert sie immer noch, und es wird immer einige Schaltungsdesigns geben, die mit analogen oder realen Umgebungen interagieren. Die Verdrahtungsstrategien im analogen und digitalen Bereich weisen einige Ähnlichkeiten auf. Wenn Sie jedoch aufgrund der unterschiedlichen Verdrahtungsstrategien bessere Ergebnisse erzielen möchten, ist ein einfaches Schaltungsverdrahtungsdesign nicht mehr die optimale Lösung.

In diesem Artikel werden die grundlegenden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen analoger und digitaler Verkabelung im Hinblick auf Bypass-Kondensatoren, Netzteile, Erdungsdesign, Spannungsfehler und elektromagnetische Störungen (EMI), die durch Leiterplattenverkabelung verursacht werden, erläutert.

Das Hinzufügen von Bypass- oder Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte und die Platzierung dieser Kondensatoren auf der Platine sind bei digitalen und analogen Designs sinnvoll. Aber interessanterweise sind die Gründe unterschiedlich.

Beim analogen Verkabelungsdesign werden Bypass-Kondensatoren normalerweise verwendet, um hochfrequente Signale an der Stromversorgung zu umgehen. Wenn keine Bypass-Kondensatoren hinzugefügt werden, können diese Hochfrequenzsignale über die Stromversorgungspins in empfindliche analoge Chips gelangen. Im Allgemeinen übersteigt die Frequenz dieser Hochfrequenzsignale die Fähigkeit analoger Geräte, Hochfrequenzsignale zu unterdrücken. Wenn der Bypass-Kondensator nicht in der Analogschaltung verwendet wird, kann es zu Störungen im Signalpfad und in schwerwiegenderen Fällen sogar zu Vibrationen kommen.

Beim analogen und digitalen PCB-Design sollten Bypass- oder Entkopplungskondensatoren (0,1 uF) so nah wie möglich am Gerät platziert werden. Der Netzteil-Entkopplungskondensator (10 uF) sollte am Stromleitungseingang der Leiterplatte platziert werden. In jedem Fall sollten die Pins dieser Kondensatoren kurz sein.

Auf der Leiterplatte in Abbildung 2 werden unterschiedliche Routen für die Verlegung der Strom- und Erdungskabel verwendet. Durch dieses unsachgemäße Zusammenwirken sind die elektronischen Komponenten und Schaltkreise auf der Leiterplatte stärker elektromagnetischen Störungen ausgesetzt.

Im einzelnen Panel in Abbildung 3 liegen die Strom- und Erdungskabel zu den Komponenten auf der Leiterplatte nahe beieinander. Das Übereinstimmungsverhältnis der Stromleitung und der Erdungsleitung in dieser Leiterplatte ist angemessen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Wahrscheinlichkeit, dass elektronische Komponenten und Schaltkreise in der Leiterplatte elektromagnetischen Störungen (EMI) ausgesetzt sind, wird um das 679/12,8-fache reduziert etwa 54 Mal.
　　
Für digitale Geräte wie Controller und Prozessoren sind ebenfalls Entkopplungskondensatoren erforderlich, allerdings aus anderen Gründen. Eine Funktion dieser Kondensatoren besteht darin, als „Miniatur“-Ladebank zu fungieren.

In digitalen Schaltkreisen ist normalerweise eine große Strommenge erforderlich, um das Umschalten des Gate-Zustands durchzuführen. Da beim Schalten Schaltströme auf dem Chip erzeugt werden und durch die Leiterplatte fließen, ist es von Vorteil, über zusätzliche „Ersatzladungen“ zu verfügen. Wenn beim Ausführen des Schaltvorgangs nicht genügend Ladung vorhanden ist, ändert sich die Versorgungsspannung stark. Eine zu starke Spannungsänderung führt dazu, dass der Pegel des digitalen Signals in einen unsicheren Zustand übergeht, und kann dazu führen, dass die Zustandsmaschine im digitalen Gerät nicht richtig funktioniert.

Der durch die Leiterbahn der Leiterplatte fließende Schaltstrom führt zu einer Spannungsänderung und die Leiterbahn der Leiterplatte weist eine parasitäre Induktivität auf. Zur Berechnung der Spannungsänderung kann folgende Formel verwendet werden: V = LdI/dt. Darunter: V = Spannungsänderung, L = Leiterbahninduktivität der Leiterplatte, dI = Stromänderung durch die Leiterbahn, dt = Stromänderungszeit.
　　
Aus vielen Gründen ist es daher besser, Bypass-Kondensatoren (oder Entkopplungskondensatoren) an der Stromversorgung oder an den Stromversorgungspins aktiver Geräte anzubringen.

Das Netzkabel und das Erdungskabel sollten gemeinsam verlegt werden

Die Position des Netzkabels und des Erdungskabels ist gut aufeinander abgestimmt, um die Möglichkeit elektromagnetischer Störungen zu verringern. Wenn die Stromleitung und die Erdungsleitung nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, entsteht eine Systemschleife und es kann zu Störungen kommen.

Ein Beispiel für ein PCB-Design, bei dem die Stromleitung und die Erdungsleitung nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, ist in Abbildung 2 dargestellt. Auf dieser Leiterplatte beträgt die entworfene Schleifenfläche 697 cm². Mit der in Abbildung 3 gezeigten Methode kann die Möglichkeit, dass abgestrahltes Rauschen auf oder von der Leiterplatte Spannung in der Schleife induziert, erheblich reduziert werden.

Der Unterschied zwischen analogen und digitalen Verkabelungsstrategien

▍Die Grundebene ist ein Problem

Die Grundkenntnisse der Leiterplattenverdrahtung sind sowohl auf analoge als auch auf digitale Schaltungen anwendbar. Als Faustregel gilt die Verwendung einer ununterbrochenen Erdungsebene. Dieser gesunde Menschenverstand reduziert den dI/dt-Effekt (Änderung des Stroms mit der Zeit) in digitalen Schaltkreisen, der das Erdungspotential verändert und dazu führt, dass Rauschen in analoge Schaltkreise gelangt.

Die Verdrahtungstechniken für digitale und analoge Schaltkreise sind bis auf eine Ausnahme grundsätzlich gleich. Bei analogen Schaltkreisen ist noch ein weiterer Punkt zu beachten: Halten Sie die digitalen Signalleitungen und -schleifen in der Masseebene so weit wie möglich von den analogen Schaltkreisen entfernt. Dies kann erreicht werden, indem die analoge Erdungsebene separat mit der Erdungsverbindung des Systems verbunden wird oder indem die analoge Schaltung am anderen Ende der Leiterplatte, dem Ende der Leitung, platziert wird. Dies geschieht, um die externen Störungen auf dem Signalweg auf ein Minimum zu beschränken.

Bei digitalen Schaltungen ist dies nicht erforderlich, da sie problemlos viel Rauschen auf der Grundebene tolerieren können.

Abbildung 4 (links) isoliert den digitalen Schaltvorgang vom analogen Schaltkreis und trennt die digitalen und analogen Teile des Schaltkreises. (Rechts) Die Hochfrequenz und die Niederfrequenz sollten so weit wie möglich getrennt sein und die Hochfrequenzkomponenten sollten sich in der Nähe der Leiterplattenanschlüsse befinden.

Abbildung 5: Wenn Sie zwei eng beieinander liegende Leiterbahnen auf der Leiterplatte anordnen, kann es leicht zur Bildung parasitärer Kapazitäten kommen. Aufgrund der Existenz dieser Art von Kapazität kann eine schnelle Spannungsänderung auf einer Leiterbahn ein Stromsignal auf der anderen Leiterbahn erzeugen.

Abbildung 6 Wenn Sie nicht auf die Platzierung der Leiterbahnen achten, können die Leiterbahnen auf der Leiterplatte Leitungsinduktivität und Gegeninduktivität erzeugen. Diese parasitäre Induktivität ist sehr schädlich für den Betrieb von Schaltkreisen, einschließlich digitaler Schaltkreise.

▍Komponentenposition

Wie oben erwähnt, sollten bei jedem PCB-Design der rauschende Teil der Schaltung und der „ruhige“ Teil (nicht rauschender Teil) getrennt werden. Im Allgemeinen sind digitale Schaltkreise „reich“ an Rauschen und unempfindlich gegenüber Rauschen (da digitale Schaltkreise eine größere Spannungsrauschtoleranz haben); im Gegenteil, die Spannungsrauschtoleranz analoger Schaltungen ist viel geringer.

Von beiden sind analoge Schaltkreise am empfindlichsten gegenüber Schaltrauschen. Bei der Verkabelung eines Mixed-Signal-Systems sollten diese beiden Stromkreise getrennt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt.
　　
▍Parasitische Komponenten, die durch das PCB-Design entstehen

Beim PCB-Design entstehen leicht zwei grundlegende parasitäre Elemente, die Probleme verursachen können: parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität.

Wenn beim Entwurf einer Leiterplatte zwei Leiterbahnen nahe beieinander platziert werden, entsteht eine parasitäre Kapazität. Sie können dies tun: Platzieren Sie auf zwei verschiedenen Ebenen eine Leiterbahn über der anderen Leiterbahn. Oder platzieren Sie auf derselben Ebene eine Spur neben der anderen Spur, wie in Abbildung 5 dargestellt.
　　
Bei diesen beiden Leiterbahnkonfigurationen können zeitliche Spannungsänderungen (dV/dt) auf einer Leiterbahn Strom auf der anderen Leiterbahn verursachen. Wenn die andere Leiterbahn eine hohe Impedanz aufweist, wird der durch das elektrische Feld erzeugte Strom in Spannung umgewandelt.
　　
Schnelle Spannungstransienten treten am häufigsten auf der digitalen Seite des analogen Signaldesigns auf. Wenn die Spuren mit schnellen Spannungstransienten in der Nähe von analogen Spuren mit hoher Impedanz liegen, beeinträchtigt dieser Fehler die Genauigkeit der analogen Schaltung erheblich. In dieser Umgebung haben analoge Schaltungen zwei Nachteile: Ihre Rauschtoleranz ist viel geringer als die digitaler Schaltungen; und Leiterbahnen mit hoher Impedanz kommen häufiger vor.
　　
Mit einer der beiden folgenden Techniken kann dieses Phänomen verringert werden. Die am häufigsten verwendete Technik besteht darin, die Größe zwischen den Leiterbahnen gemäß der Kapazitätsgleichung zu ändern. Die am effektivsten zu ändernde Größe ist der Abstand zwischen den beiden Spuren. Es ist zu beachten, dass die Variable d im Nenner der Kapazitätsgleichung steht. Mit zunehmendem d nimmt die kapazitive Reaktanz ab. Eine weitere Variable, die geändert werden kann, ist die Länge der beiden Spuren. In diesem Fall nimmt die Länge L ab und auch die kapazitive Reaktanz zwischen den beiden Leiterbahnen nimmt ab.
　　
Eine andere Technik besteht darin, zwischen diesen beiden Leiterbahnen ein Erdungskabel zu verlegen. Das Erdungskabel hat eine niedrige Impedanz, und das Hinzufügen einer weiteren Leiterbahn wie dieser schwächt das elektrische Störfeld, wie in Abbildung 5 dargestellt.
　　
Das Prinzip der parasitären Induktivität in der Leiterplatte ähnelt dem der parasitären Kapazität. Es sind auch zwei Spuren anzulegen. Platzieren Sie auf zwei verschiedenen Ebenen eine Leiterbahn über der anderen Leiterbahn. Oder platzieren Sie auf derselben Ebene eine Leiterbahn neben der anderen, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Bei diesen beiden Verkabelungskonfigurationen erzeugt die zeitliche Stromänderung (dI/dt) einer Leiterbahn aufgrund der Induktivität dieser Leiterbahn Spannung auf derselben Leiterbahn. und aufgrund der Gegeninduktivität wird auf der anderen Leiterbahn ein proportionaler Strom erzeugt. Wenn die Spannungsänderung auf der ersten Leiterbahn groß genug ist, können Störungen die Spannungstoleranz der digitalen Schaltung verringern und Fehler verursachen. Dieses Phänomen tritt nicht nur in digitalen Schaltkreisen auf, sondern tritt aufgrund der großen momentanen Schaltströme in digitalen Schaltkreisen häufiger auf.
　　
Um potenzielles Rauschen durch elektromagnetische Störquellen zu eliminieren, ist es am besten, „ruhige“ analoge Leitungen von verrauschten I/O-Ports zu trennen. Um zu versuchen, ein Strom- und Erdungsnetzwerk mit niedriger Impedanz zu erreichen, sollte die Induktivität digitaler Schaltungsdrähte minimiert werden und die kapazitive Kopplung analoger Schaltungen sollte minimiert werden.
　　
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Abschluss

Nachdem die digitalen und analogen Bereiche festgelegt wurden, ist ein sorgfältiges Routing für eine erfolgreiche Leiterplatte unerlässlich. Die Verkabelungsstrategie wird in der Regel jedem als Faustregel vorgestellt, da es schwierig ist, den endgültigen Erfolg des Produkts in einer Laborumgebung zu testen. Daher müssen trotz der Ähnlichkeiten in den Verdrahtungsstrategien digitaler und analoger Schaltkreise die Unterschiede in ihren Verdrahtungsstrategien erkannt und ernst genommen werden.