Ο αριθμός των ψηφιακών σχεδιαστών και των ειδικών σχεδιασμού πλακέτας ψηφιακών κυκλωμάτων στον τομέα της μηχανικής αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που αντανακλά την αναπτυξιακή τάση του κλάδου. Αν και η έμφαση στον ψηφιακό σχεδιασμό έχει επιφέρει σημαντικές εξελίξεις στα ηλεκτρονικά προϊόντα, εξακολουθεί να υπάρχει και θα υπάρχουν πάντα ορισμένα σχέδια κυκλωμάτων που διασυνδέονται με αναλογικά ή πραγματικά περιβάλλοντα. Οι στρατηγικές καλωδίωσης στο αναλογικό και το ψηφιακό πεδίο έχουν κάποιες ομοιότητες, αλλά όταν θέλετε να έχετε καλύτερα αποτελέσματα, λόγω των διαφορετικών στρατηγικών καλωδίωσης, ο απλός σχεδιασμός καλωδίωσης κυκλώματος δεν είναι πλέον η βέλτιστη λύση.

Αυτό το άρθρο εξετάζει τις βασικές ομοιότητες και διαφορές μεταξύ αναλογικής και ψηφιακής καλωδίωσης όσον αφορά τους πυκνωτές παράκαμψης, τα τροφοδοτικά, τη σχεδίαση γείωσης, τα σφάλματα τάσης και τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) που προκαλούνται από την καλωδίωση PCB.

Ο αριθμός των ψηφιακών σχεδιαστών και των ειδικών σχεδιασμού πλακέτας ψηφιακών κυκλωμάτων στον τομέα της μηχανικής αυξάνεται συνεχώς, γεγονός που αντανακλά την αναπτυξιακή τάση του κλάδου. Αν και η έμφαση στον ψηφιακό σχεδιασμό έχει επιφέρει σημαντικές εξελίξεις στα ηλεκτρονικά προϊόντα, εξακολουθεί να υπάρχει και θα υπάρχουν πάντα ορισμένα σχέδια κυκλωμάτων που διασυνδέονται με αναλογικά ή πραγματικά περιβάλλοντα. Οι στρατηγικές καλωδίωσης στο αναλογικό και το ψηφιακό πεδίο έχουν κάποιες ομοιότητες, αλλά όταν θέλετε να έχετε καλύτερα αποτελέσματα, λόγω των διαφορετικών στρατηγικών καλωδίωσης, ο απλός σχεδιασμός καλωδίωσης κυκλώματος δεν είναι πλέον η βέλτιστη λύση.

Αυτό το άρθρο εξετάζει τις βασικές ομοιότητες και διαφορές μεταξύ αναλογικής και ψηφιακής καλωδίωσης όσον αφορά τους πυκνωτές παράκαμψης, τα τροφοδοτικά, τη σχεδίαση γείωσης, τα σφάλματα τάσης και τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) που προκαλούνται από την καλωδίωση PCB.

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

Στο σχεδιασμό αναλογικής καλωδίωσης, οι πυκνωτές παράκαμψης χρησιμοποιούνται συνήθως για την παράκαμψη σημάτων υψηλής συχνότητας στο τροφοδοτικό. Εάν δεν προστεθούν πυκνωτές παράκαμψης, αυτά τα σήματα υψηλής συχνότητας ενδέχεται να εισέλθουν σε ευαίσθητα αναλογικά τσιπ μέσω των ακροδεκτών τροφοδοσίας. Σε γενικές γραμμές, η συχνότητα αυτών των σημάτων υψηλής συχνότητας υπερβαίνει την ικανότητα των αναλογικών συσκευών να καταστέλλουν σήματα υψηλής συχνότητας. Εάν ο πυκνωτής παράκαμψης δεν χρησιμοποιείται στο αναλογικό κύκλωμα, μπορεί να εισαχθεί θόρυβος στη διαδρομή του σήματος και σε πιο σοβαρές περιπτώσεις μπορεί να προκαλέσει ακόμη και κραδασμούς.

Σε αναλογικό και ψηφιακό σχεδιασμό PCB, οι πυκνωτές παράκαμψης ή αποσύνδεσης (0,1uF) πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στη συσκευή. Ο πυκνωτής αποσύνδεσης τροφοδοσίας (10uF) πρέπει να τοποθετηθεί στην είσοδο της γραμμής ισχύος της πλακέτας κυκλώματος. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι ακίδες αυτών των πυκνωτών πρέπει να είναι κοντές.

Στην πλακέτα κυκλώματος στο Σχήμα 2, χρησιμοποιούνται διαφορετικές διαδρομές για τη δρομολόγηση των καλωδίων τροφοδοσίας και γείωσης. Λόγω αυτής της ακατάλληλης συνεργασίας, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και τα κυκλώματα στην πλακέτα κυκλώματος είναι πιο πιθανό να υποστούν ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.

Στον μονό πίνακα του Σχήματος 3, τα καλώδια τροφοδοσίας και γείωσης στα εξαρτήματα στην πλακέτα κυκλώματος είναι κοντά το ένα στο άλλο. Η αναλογία αντιστοίχισης της γραμμής ισχύος και της γραμμής γείωσης σε αυτήν την πλακέτα κυκλώματος είναι κατάλληλη όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Η πιθανότητα ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και κυκλωμάτων στην πλακέτα κυκλώματος να υποβληθούν σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) μειώνεται κατά 679/12,8 φορές ή περίπου 54 φορές.
　　
Για ψηφιακές συσκευές όπως ελεγκτές και επεξεργαστές, απαιτούνται επίσης πυκνωτές αποσύνδεσης, αλλά για διαφορετικούς λόγους. Μια λειτουργία αυτών των πυκνωτών είναι να λειτουργούν ως «μικροσκοπική» τράπεζα φόρτισης.

Στα ψηφιακά κυκλώματα, συνήθως απαιτείται μεγάλη ποσότητα ρεύματος για την πραγματοποίηση μεταγωγής κατάστασης πύλης. Εφόσον τα μεταβατικά ρεύματα μεταγωγής δημιουργούνται στο τσιπ κατά τη διάρκεια της μεταγωγής και ρέουν μέσω της πλακέτας κυκλώματος, είναι πλεονεκτικό να υπάρχουν πρόσθετες «εφεδρικές» χρεώσεις. Εάν δεν υπάρχει αρκετή φόρτιση κατά την εκτέλεση της ενέργειας μεταγωγής, η τάση τροφοδοσίας θα αλλάξει πολύ. Η υπερβολική αλλαγή τάσης θα προκαλέσει το επίπεδο ψηφιακού σήματος να εισέλθει σε αβέβαιη κατάσταση και μπορεί να προκαλέσει λανθασμένη λειτουργία του μηχανήματος κατάστασης στην ψηφιακή συσκευή.

Το ρεύμα μεταγωγής που διαρρέει το ίχνος της πλακέτας κυκλώματος θα προκαλέσει αλλαγή τάσης και το ίχνος της πλακέτας 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 = επαγωγή ίχνους πλακέτας κυκλώματος, dI = αλλαγή ρεύματος μέσω του ίχνους, dt = χρόνος αλλαγής ρεύματος.
　　
Επομένως, για πολλούς λόγους, είναι καλύτερο να εφαρμόζετε πυκνωτές παράκαμψης (ή αποσύνδεσης) στο τροφοδοτικό 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 ταιριάζουν καλά ώστε να μειωθεί η πιθανότητα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Εάν η γραμμή ισχύος και η γραμμή εδάφους δεν ταιριάζουν σωστά, θα σχεδιαστεί ένας βρόχος συστήματος και πιθανότατα θα δημιουργηθεί θόρυβος.

Ένα παράδειγμα σχεδίασης PCB όπου η γραμμή ρεύματος και η γραμμή γείωσης δεν ταιριάζουν σωστά φαίνεται στην Εικόνα 2. Σε αυτήν την πλακέτα κυκλώματος, η σχεδιασμένη περιοχή βρόχου είναι 697 cm². Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο που φαίνεται στο Σχήμα 3, η πιθανότητα ακτινοβολούμενου θορύβου εντός ή εκτός της πλακέτας κυκλώματος που προκαλεί τάση στον βρόχο μπορεί να μειωθεί σημαντικά.

Η διαφορά μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών στρατηγικών καλωδίωσης

▍Το επίπεδο γείωσης είναι πρόβλημα

Οι βασικές γνώσεις για την καλωδίωση της πλακέτας κυκλωμάτων είναι εφαρμόσιμες τόσο σε αναλογικά όσο και σε ψηφιακά κυκλώματα. Ένας βασικός εμπειρικός κανόνας είναι να χρησιμοποιείτε ένα αδιάκοπο επίπεδο γείωσης. Αυτή η κοινή λογική μειώνει το φαινόμενο dI/dt (μεταβολή του ρεύματος με το χρόνο) στα ψηφιακά κυκλώματα, το οποίο αλλάζει το δυναμικό γείωσης και προκαλεί τον θόρυβο να εισέλθει στα αναλογικά κυκλώματα.

Οι τεχνικές καλωδίωσης για ψηφιακά και αναλογικά κυκλώματα είναι βασικά οι ίδιες, με μία εξαίρεση. Για τα αναλογικά κυκλώματα, υπάρχει ένα άλλο σημείο που πρέπει να προσέξετε, δηλαδή, κρατήστε τις γραμμές ψηφιακού σήματος και τους βρόχους στο επίπεδο γείωσης όσο το δυνατόν πιο μακριά από τα αναλογικά κυκλώματα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί συνδέοντας το αναλογικό επίπεδο γείωσης στη σύνδεση γείωσης του συστήματος χωριστά ή τοποθετώντας το αναλογικό κύκλωμα στο μακρινό άκρο της πλακέτας κυκλώματος, που είναι το τέλος της γραμμής. Αυτό γίνεται για να διατηρείται στο ελάχιστο η εξωτερική παρεμβολή στη διαδρομή του σήματος.

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

Το σχήμα 4 (αριστερά) απομονώνει την ενέργεια ψηφιακής μεταγωγής από το αναλογικό κύκλωμα και διαχωρίζει το ψηφιακό και το αναλογικό τμήμα του κυκλώματος. (Δεξιά) Η υψηλή συχνότητα και η χαμηλή συχνότητα θα πρέπει να διαχωρίζονται όσο το δυνατόν περισσότερο και τα εξαρτήματα υψηλής συχνότητας πρέπει να βρίσκονται κοντά στους συνδέσμους της πλακέτας κυκλώματος.

Σχήμα 5 Διάταξη δύο στενών ιχνών 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 σήμα ρεύματος στο άλλο ίχνος.

Εικόνα 6 Εάν δεν προσέξετε την τοποθέτηση των ιχνών, τα ίχνη στο PCB ενδέχεται να παράγουν αυτεπαγωγή γραμμής και αμοιβαία επαγωγή. Αυτή η παρασιτική επαγωγή είναι πολύ επιβλαβής για τη λειτουργία των κυκλωμάτων συμπεριλαμβανομένων των ψηφιακών κυκλωμάτων μεταγωγής.

▍Τοποθεσία εξαρτήματος

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σε κάθε σχέδιο PCB, το τμήμα θορύβου του κυκλώματος και το τμήμα «αθόρυβο» (χωρίς θόρυβο) πρέπει να διαχωρίζονται. Γενικά, τα ψηφιακά κυκλώματα είναι «πλούσια» σε θόρυβο και δεν είναι ευαίσθητα στο 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 στο θόρυβο μεταγωγής. Στην καλωδίωση ενός συστήματος μικτού σήματος, αυτά τα δύο κυκλώματα θα πρέπει να διαχωριστούν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.
　　
▍Παρσιτικά εξαρτήματα που δημιουργούνται από το σχεδιασμό PCB

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

Κατά το σχεδιασμό μιας πλακέτας κυκλώματος, η τοποθέτηση δύο ιχνών κοντά το ένα στο άλλο θα δημιουργήσει παρασιτική χωρητικότητα. Μπορείτε να το κάνετε αυτό: Σε δύο διαφορετικά στρώματα, τοποθετήστε το ένα ίχνος πάνω στο άλλο ίχνος. ή στο ίδιο στρώμα, τοποθετήστε το ένα ίχνος δίπλα στο άλλο ίχνος, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.
　　
Σε αυτές τις δύο διαμορφώσεις ίχνους, οι αλλαγές στην τάση με την πάροδο του χρόνου (dV/dt) στο ένα ίχνος μπορεί να προκαλέσουν ρεύμα στο άλλο ίχνος. Εάν το άλλο ίχνος είναι υψηλής σύνθετης αντίστασης, το ρεύμα που παράγεται από το ηλεκτρικό πεδίο θα μετατραπεί σε τάση.
　　
Οι γρήγορες μεταβατικές τάσεις εμφανίζονται συχνότερα στην ψηφιακή πλευρά του σχεδιασμού αναλογικού σήματος. Εάν τα ίχνη με γρήγορες μεταβατικές τάσεις είναι κοντά σε αναλογικά ίχνη υψηλής σύνθετης αντίστασης, αυτό το σφάλμα θα επηρεάσει σοβαρά την ακρίβεια του αναλογικού κυκλώματος. Σε αυτό το περιβάλλον, τα αναλογικά κυκλώματα έχουν δύο μειονεκτήματα: η ανοχή τους στον θόρυβο είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή των ψηφιακών κυκλωμάτων. και τα ίχνη υψηλής σύνθετης αντίστασης είναι πιο κοινά.
　　
Η χρήση μιας από τις ακόλουθες δύο τεχνικές μπορεί να μειώσει αυτό το φαινόμενο. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική είναι η αλλαγή του μεγέθους μεταξύ των ιχνών σύμφωνα με την εξίσωση χωρητικότητας. Το πιο αποτελεσματικό μέγεθος για αλλαγή είναι η απόσταση μεταξύ των δύο ιχνών. Πρέπει να σημειωθεί ότι η μεταβλητή d βρίσκεται στον παρονομαστή της εξίσωσης χωρητικότητας. Καθώς το d αυξάνεται, η χωρητική αντίδραση θα μειώνεται. 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 ανάμεσα σε αυτά τα δύο ίχνη. Το καλώδιο γείωσης είναι χαμηλής σύνθετης αντίστασης και η προσθήκη ενός άλλου ίχνους όπως αυτό θα αποδυναμώσει το ηλεκτρικό πεδίο παρεμβολής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.
　　
Η αρχή της παρασιτικής επαγωγής στην πλακέτα κυκλώματος είναι παρόμοια με αυτή της παρασιτικής χωρητικότητας. Είναι επίσης να απλώσει δύο ίχνη. Σε δύο διαφορετικά στρώματα, τοποθετήστε το ένα ίχνος πάνω από το άλλο ίχνος. ή στο ίδιο στρώμα, τοποθετήστε το ένα ίχνος δίπλα στο άλλο, όπως φαίνεται στην Εικόνα 6.

Σε αυτές τις δύο διαμορφώσεις καλωδίωσης, η αλλαγή ρεύματος (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 Παράγεται 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 κοινό στα ψηφιακά κυκλώματα λόγω των μεγάλων στιγμιαίων ρευμάτων μεταγωγής στα ψηφιακά κυκλώματα.
　　
Για την εξάλειψη του πιθανού θορύβου από πηγές ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, είναι καλύτερο να διαχωρίσετε τις «αθόρυβες» αναλογικές γραμμές από τις θορυβώδεις θύρες I/O. Για να προσπαθήσουμε να επιτύχουμε ένα δίκτυο ισχύος και γείωσης χαμηλής σύνθετης αντίστασης, θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί η επαγωγή των καλωδίων ψηφιακών κυκλωμάτων και η χωρητική σύζευξη των αναλογικών κυκλωμάτων θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί.
　　
03

Σύναψη

Αφού καθοριστούν οι ψηφιακές και αναλογικές περιοχές, η προσεκτική δρομολόγηση είναι απαραίτητη για ένα επιτυχημένο PCB. Η στρατηγική καλωδίωσης συνήθως παρουσιάζεται σε όλους ως εμπειρικός κανόνας, επειδή είναι δύσκολο να δοκιμαστεί η τελική επιτυχία του προϊόντος σε εργαστηριακό περιβάλλον. Επομένως, παρά τις ομοιότητες στις στρατηγικές καλωδίωσης των ψηφιακών και αναλογικών κυκλωμάτων, οι διαφορές στις στρατηγικές καλωδίωσης πρέπει να αναγνωριστούν και να ληφθούν σοβαρά υπόψη.