Ο αριθμός των ψηφιακών σχεδιαστών και των εμπειρογνωμόνων σχεδιασμού του πίνακα ψηφιακών κυκλωμάτων στον τομέα της μηχανικής αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που αντικατοπτρίζει την τάση ανάπτυξης του κλάδου. Παρόλο που η έμφαση στον ψηφιακό σχεδιασμό έχει επιφέρει σημαντικές εξελίξεις στα ηλεκτρονικά προϊόντα, εξακολουθεί να υπάρχει και θα υπάρχουν πάντα κάποια σχέδια κυκλωμάτων που διασυνδέονται με αναλογικά ή πραγματικά περιβάλλοντα. Οι στρατηγικές καλωδίωσης στα αναλογικά και ψηφιακά πεδία έχουν κάποιες ομοιότητες, αλλά όταν θέλετε να έχετε καλύτερα αποτελέσματα, λόγω των διαφορετικών στρατηγικών καλωδίωσης, ο απλός σχεδιασμός καλωδίωσης δεν είναι πλέον η βέλτιστη λύση.

Αυτό το άρθρο εξετάζει τις βασικές ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ αναλογικής και ψηφιακής καλωδίωσης όσον αφορά τους πυκνωτές παράκαμψης, τα τροφοδοτικά, το σχεδιασμό εδάφους, τα σφάλματα τάσης και την ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI) που προκαλούνται από την καλωδίωση PCB.

Ο αριθμός των ψηφιακών σχεδιαστών και των εμπειρογνωμόνων σχεδιασμού του πίνακα ψηφιακών κυκλωμάτων στον τομέα της μηχανικής αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που αντικατοπτρίζει την τάση ανάπτυξης του κλάδου. Παρόλο που η έμφαση στον ψηφιακό σχεδιασμό έχει επιφέρει σημαντικές εξελίξεις στα ηλεκτρονικά προϊόντα, εξακολουθεί να υπάρχει και θα υπάρχουν πάντα κάποια σχέδια κυκλωμάτων που διασυνδέονται με αναλογικά ή πραγματικά περιβάλλοντα. Οι στρατηγικές καλωδίωσης στα αναλογικά και ψηφιακά πεδία έχουν κάποιες ομοιότητες, αλλά όταν θέλετε να έχετε καλύτερα αποτελέσματα, λόγω των διαφορετικών στρατηγικών καλωδίωσης, ο απλός σχεδιασμός καλωδίωσης δεν είναι πλέον η βέλτιστη λύση.

Αυτό το άρθρο εξετάζει τις βασικές ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ αναλογικής και ψηφιακής καλωδίωσης όσον αφορά τους πυκνωτές παράκαμψης, τα τροφοδοτικά, το σχεδιασμό εδάφους, τα σφάλματα τάσης και την ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI) που προκαλούνται από την καλωδίωση PCB.

Η προσθήκη των πυκνωτών παράκαμψης ή αποσύνδεσης στην πλακέτα κυκλώματος και η θέση αυτών των πυκνωτών στο διοικητικό συμβούλιο είναι κοινή λογική για ψηφιακά και αναλογικά σχέδια. Αλλά ενδιαφέρον, οι λόγοι είναι διαφορετικοί.

Στον αναλογικό σχεδιασμό καλωδίωσης, οι πυκνωτές παράκαμψης χρησιμοποιούνται συνήθως για να παρακάμψουν τα σήματα υψηλής συχνότητας στην παροχή ρεύματος. Εάν δεν προστίθενται πυκνωτές παράκαμψης, αυτά τα σήματα υψηλής συχνότητας ενδέχεται να εισάγουν ευαίσθητα αναλογικά τσιπ μέσω των ακίδων τροφοδοσίας. Σε γενικές γραμμές, η συχνότητα αυτών των σημάτων υψηλής συχνότητας υπερβαίνει την ικανότητα των αναλογικών συσκευών να καταστέλλουν τα σήματα υψηλής συχνότητας. Εάν ο πυκνωτής παράκαμψης δεν χρησιμοποιείται στο αναλογικό κύκλωμα, ο θόρυβος μπορεί να εισαχθεί στη διαδρομή του σήματος και σε πιο σοβαρές περιπτώσεις μπορεί να προκαλέσει ακόμη και δόνηση.

Σε αναλογικό και ψηφιακό σχεδιασμό PCB, παράκαμψη ή πυκνωτές αποσύνδεσης (0.1UF) θα πρέπει να τοποθετηθούν όσο το δυνατόν πιο κοντά στη συσκευή. Ο πυκνωτής αποσύνδεσης τροφοδοσίας (10UF) θα πρέπει να τοποθετηθεί στην είσοδο της γραμμής ηλεκτρικής ενέργειας της πλακέτας κυκλώματος. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι καρφίτσες αυτών των πυκνωτών θα πρέπει να είναι σύντομες.

Στην πλακέτα κυκλώματος στο σχήμα 2, χρησιμοποιούνται διαφορετικές διαδρομές για τη διόρθωση των καλωδίων ισχύος και γείωσης. Λόγω αυτής της ακατάλληλης συνεργασίας, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και τα κυκλώματα στην πλακέτα κυκλώματος είναι πιο πιθανό να υπόκεινται σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.

Στον ενιαίο πίνακα του Σχήματος 3, τα καλώδια ισχύος και γείωσης στα εξαρτήματα της πλακέτας είναι κοντά το ένα στο άλλο. Η αναλογία αντιστοίχισης της γραμμής ηλεκτρικής ενέργειας και η γραμμή εδάφους σε αυτήν την πλακέτα κυκλώματος είναι κατάλληλη όπως φαίνεται στο σχήμα 2.
　　
Για ψηφιακές συσκευές, όπως ελεγκτές και επεξεργαστές, απαιτούνται επίσης πυκνωτές αποσύνδεσης, αλλά για διάφορους λόγους. Μία λειτουργία αυτών των πυκνωτών είναι να λειτουργούν ως "μικροσκοπική" τράπεζα χρέωσης.

Σε ψηφιακά κυκλώματα, απαιτείται συνήθως μια μεγάλη ποσότητα ρεύματος για την εκτέλεση της μεταγωγής κατάστασης πύλης. Δεδομένου ότι η εναλλαγή μεταβατικών ρευμάτων παράγονται στο τσιπ κατά τη διάρκεια της εναλλαγής και της ροής μέσω της πλακέτας κυκλώματος, είναι επωφελές να έχουμε πρόσθετες "εφεδρικές" χρεώσεις. Εάν δεν υπάρχει αρκετή χρέωση κατά την εκτέλεση της δράσης μεταγωγής, η τάση τροφοδοσίας θα αλλάξει σε μεγάλο βαθμό. Η υπερβολική αλλαγή τάσης θα προκαλέσει την είσοδο σε μια αβέβαιη κατάσταση και μπορεί να προκαλέσει λανθασμένα την κατασκευή της μηχανής της ψηφιακής συσκευής.

Το ρεύμα μεταγωγής που ρέει μέσω του ίχνους της πλακέτας κυκλώματος θα προκαλέσει την αλλαγή της τάσης και το ίχνος κυκλώματος έχει παρασιτική επαγωγή. Ο ακόλουθος τύπος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της αλλαγής τάσης: V = LDI/DT. Μεταξύ αυτών: V = Αλλαγή τάσης, L = Επαναγωγή ιχνοστοιχείων του κυκλώματος, DI = αλλαγή ρεύματος μέσω του ίχνους, dt = ρεύμα αλλαγή χρόνου.
　　
Ως εκ τούτου, για πολλούς λόγους, είναι καλύτερο να εφαρμόζετε πυκνωτές παράκαμψης (ή αποσύνδεσης) στην τροφοδοσία ρεύματος ή στις ακίδες τροφοδοσίας ενεργών συσκευών.

Το καλώδιο τροφοδοσίας και το καλώδιο γείωσης πρέπει να δρομολογούνται μαζί

Η θέση του καλωδίου τροφοδοσίας και του καλωδίου γείωσης ταιριάζει καλά για να μειώσει τη δυνατότητα ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής. Εάν η γραμμή ηλεκτρικής ενέργειας και η γραμμή εδάφους δεν ταιριάζουν σωστά, θα σχεδιαστεί ένας βρόχος συστήματος και πιθανότατα θα δημιουργηθεί θόρυβος.

Ένα παράδειγμα σχεδίασης PCB όπου η γραμμή ηλεκτρικής ενέργειας και η γραμμή εδάφους δεν ταιριάζουν σωστά στο σχήμα 2. Σε αυτή την πλακέτα κυκλώματος, η σχεδιασμένη περιοχή βρόχου είναι 697cm2. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο που φαίνεται στο σχήμα 3, η πιθανότητα ακτινοβολούμενου θορύβου στην ή απενεργοποίηση της τάξης που προκαλεί την τάση του κυκλώματος στον βρόχο μπορεί να μειωθεί σημαντικά.

Η διαφορά μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών στρατηγικών καλωδίωσης

Το επίπεδο εδάφους είναι ένα πρόβλημα

Η βασική γνώση της καλωδίωσης του κυκλώματος ισχύει τόσο για τα αναλογικά όσο και για τα ψηφιακά κυκλώματα. Ένας βασικός κανόνας είναι να χρησιμοποιήσετε ένα αδιάλειπτο επίπεδο γείωσης. Αυτή η κοινή λογική μειώνει το αποτέλεσμα DI/DT (αλλαγή στο ρεύμα με το χρόνο) σε ψηφιακά κυκλώματα, η οποία αλλάζει το δυναμικό του εδάφους και προκαλεί την είσοδο αναλογικών κυκλωμάτων.

Οι τεχνικές καλωδίωσης για ψηφιακά και αναλογικά κυκλώματα είναι βασικά τα ίδια, με μία εξαίρεση. Για τα αναλογικά κυκλώματα, υπάρχει ένα άλλο σημείο που πρέπει να σημειωθεί, δηλαδή να διατηρήσετε τις γραμμές ψηφιακού σήματος και τους βρόχους στο επίπεδο του εδάφους όσο το δυνατόν πιο μακριά από τα αναλογικά κυκλώματα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί συνδέοντας χωριστά το αναλογικό επίπεδο γείωσης με τη σύνδεση του συστήματος ή την τοποθέτηση του αναλογικού κυκλώματος στο άκρο της πλακέτας κυκλώματος, το οποίο είναι το τέλος της γραμμής. Αυτό γίνεται για να διατηρηθεί η εξωτερική παρέμβαση στη διαδρομή σήματος στο ελάχιστο.

Δεν χρειάζεται να το κάνετε αυτό για ψηφιακά κυκλώματα, τα οποία μπορούν να ανεχθούν πολύ θόρυβο στο επίπεδο του εδάφους χωρίς προβλήματα.

Το σχήμα 4 (αριστερά) απομονώνει τη δράση ψηφιακής μεταγωγής από το αναλογικό κύκλωμα και διαχωρίζει τα ψηφιακά και αναλογικά μέρη του κυκλώματος. (Δεξιά) Η υψηλή συχνότητα και η χαμηλή συχνότητα πρέπει να διαχωρίζονται όσο το δυνατόν περισσότερο και τα εξαρτήματα υψηλής συχνότητας πρέπει να είναι κοντά στους συνδετήρες της πλακέτας κυκλώματος.

Εικόνα 5 Διάταξη Δύο στενά ίχνη στο PCB, είναι εύκολο να σχηματιστεί παρασιτική χωρητικότητα. Λόγω της ύπαρξης αυτού του είδους χωρητικότητας, μια ταχεία αλλαγή τάσης σε ένα ίχνος μπορεί να δημιουργήσει ένα ρεύμα σήμα στο άλλο ίχνος.

Εικόνα 6 Εάν δεν δώσετε προσοχή στην τοποθέτηση των ιχνών, τα ίχνη του PCB μπορούν να παράγουν επαγωγική γραμμή και αμοιβαία αυτοπεποίθηση. Αυτή η παρασιτική επαγωγή είναι πολύ επιβλαβής για τη λειτουργία κυκλωμάτων, συμπεριλαμβανομένων των κυκλωμάτων ψηφιακής μεταγωγής.

▍Component τοποθεσία

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σε κάθε σχεδιασμό PCB, πρέπει να διαχωριστεί το τμήμα θορύβου του κυκλώματος και το "ήσυχο" τμήμα (μη θόρυβο). Σε γενικές γραμμές, τα ψηφιακά κυκλώματα είναι "πλούσια" σε θόρυβο και δεν είναι ευαίσθητα στον θόρυβο (επειδή τα ψηφιακά κυκλώματα έχουν μεγαλύτερη ανοχή θορύβου τάσης). Αντίθετα, η ανοχή θορύβου τάσης των αναλογικών κυκλωμάτων είναι πολύ μικρότερη.

Από τα δύο, τα αναλογικά κυκλώματα είναι τα πιο ευαίσθητα στον θόρυβο μεταγωγής. Στην καλωδίωση ενός συστήματος μικτού σήματος, αυτά τα δύο κυκλώματα πρέπει να διαχωριστούν, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.
　　
▍ Parasitic συστατικά που παράγονται από το PCB Design

Δύο βασικά παρασιτικά στοιχεία που μπορεί να προκαλέσουν εύκολα τα προβλήματα στο σχεδιασμό PCB: παρασιτική χωρητικότητα και παρασιτική επαγωγή.

Όταν σχεδιάζετε μια πλακέτα κυκλώματος, η τοποθέτηση δύο ιχνών κοντά ο ένας στον άλλο θα δημιουργήσει παρασιτική χωρητικότητα. Μπορείτε να το κάνετε αυτό: σε δύο διαφορετικά στρώματα, τοποθετήστε ένα ίχνος πάνω από το άλλο ίχνος. ή στο ίδιο στρώμα, τοποθετήστε ένα ίχνος δίπλα στο άλλο ίχνος, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.
　　
Σε αυτές τις δύο διαμορφώσεις ιχνοστοιχείων, οι αλλαγές στην τάση με την πάροδο του χρόνου (DV/DT) σε ένα ίχνος μπορεί να προκαλέσουν ρεύμα στο άλλο ίχνος. Εάν το άλλο ίχνος είναι υψηλή αντίσταση, το ρεύμα που παράγεται από το ηλεκτρικό πεδίο θα μετατραπεί σε τάση.
　　
Οι μεταβατικές μεταβατικές ταχύτητες ταχείας τάσης εμφανίζονται συχνότερα στην ψηφιακή πλευρά του αναλογικού σχεδίου σήματος. Εάν τα ίχνη με μεταβατικές τάξεις γρήγορης τάσης είναι κοντά σε αναλογικά ίχνη υψηλής εμφάνισης, αυτό το σφάλμα θα επηρεάσει σοβαρά την ακρίβεια του αναλογικού κυκλώματος. Σε αυτό το περιβάλλον, τα αναλογικά κυκλώματα έχουν δύο μειονεκτήματα: η ανοχή θορύβου τους είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή των ψηφιακών κυκλωμάτων. Και τα ίχνη υψηλής αντίστασης είναι πιο συνηθισμένα.
　　
Χρησιμοποιώντας μία από τις ακόλουθες δύο τεχνικές μπορεί να μειώσει αυτό το φαινόμενο. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική είναι να αλλάξετε το μέγεθος μεταξύ των ιχνών ανάλογα με την εξίσωση χωρητικότητας. Το πιο αποτελεσματικό μέγεθος για αλλαγή είναι η απόσταση μεταξύ των δύο ιχνών. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η μεταβλητή D είναι στον παρονομαστή της εξίσωσης χωρητικότητας. Καθώς το D αυξάνεται, η χωρητική αντίδραση θα μειωθεί. Μια άλλη μεταβλητή που μπορεί να αλλάξει είναι το μήκος των δύο ιχνών. Σε αυτή την περίπτωση, το μήκος L μειώνεται και η χωρητική αντίδραση μεταξύ των δύο ιχνών θα μειωθεί επίσης.
　　
Μια άλλη τεχνική είναι να τοποθετήσετε ένα καλώδιο γείωσης μεταξύ αυτών των δύο ιχνών. Το σύρμα γείωσης είναι χαμηλή αντίσταση και προσθέτοντας ένα άλλο ίχνος όπως αυτό θα αποδυναμώσει το ηλεκτρικό πεδίο παρεμβολής, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.
　　
Η αρχή της παρασιτικής επαγωγής στην πλακέτα κυκλώματος είναι παρόμοια με εκείνη της παρασιτικής χωρητικότητας. Είναι επίσης να οργανώσετε δύο ίχνη. Σε δύο διαφορετικά στρώματα, τοποθετήστε ένα ίχνος πάνω από το άλλο ίχνος. ή στο ίδιο στρώμα, τοποθετήστε ένα ίχνος δίπλα στο άλλο, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.

Σε αυτές τις δύο διαμορφώσεις καλωδίωσης, η τρέχουσα αλλαγή (di/dt) ενός ίχνους με το χρόνο, λόγω της επαγωγής αυτού του ίχνους, θα δημιουργήσει τάση στο ίδιο ίχνος. Και λόγω της ύπαρξης αμοιβαίας επαγωγής, θα δημιουργηθεί ένα αναλογικό ρεύμα στο άλλο ίχνος. Εάν η αλλαγή τάσης στο πρώτο ίχνος είναι αρκετά μεγάλη, η παρεμβολή μπορεί να μειώσει την ανοχή τάσης του ψηφιακού κυκλώματος και να προκαλέσει σφάλματα. Αυτό το φαινόμενο δεν εμφανίζεται μόνο σε ψηφιακά κυκλώματα, αλλά αυτό το φαινόμενο είναι πιο συνηθισμένο στα ψηφιακά κυκλώματα λόγω των μεγάλων στιγμιαίων ρευμάτων μεταγωγής σε ψηφιακά κυκλώματα.
　　
Για την εξάλειψη του πιθανού θορύβου από τις πηγές ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής, είναι καλύτερο να διαχωρίσετε "ήσυχες" αναλογικές γραμμές από θορυβώδεις θύρες I/O. Για να προσπαθήσουμε να επιτευχθεί ένα δίκτυο χαμηλής απεικόνισης και δικτύου εδάφους, θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί η επαγωγή των καλωδίων ψηφιακού κυκλώματος και η χωρητική σύζευξη αναλογικών κυκλωμάτων θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί.
　　
03

Σύναψη

Αφού καθορίζονται οι ψηφιακές και αναλογικές περιοχές, η προσεκτική δρομολόγηση είναι απαραίτητη για ένα επιτυχημένο PCB. Η στρατηγική καλωδίωσης εισάγεται συνήθως σε όλους κατά κανόνα, επειδή είναι δύσκολο να δοκιμαστεί η τελική επιτυχία του προϊόντος σε εργαστηριακό περιβάλλον. Ως εκ τούτου, παρά τις ομοιότητες στις στρατηγικές καλωδίωσης των ψηφιακών και αναλογικών κυκλωμάτων, οι διαφορές στις στρατηγικές καλωδίωσης πρέπει να αναγνωρίζονται και να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη.