El número de diseñadores digitales y expertos en diseño de la placa de circuito digital en el campo de la ingeniería está aumentando constantemente, lo que refleja la tendencia de desarrollo de la industria. Aunque el énfasis en el diseño digital ha provocado grandes desarrollos en productos electrónicos, todavía existe, y siempre habrá algunos diseños de circuitos que interactúan con entornos analógicos o reales. Las estrategias de cableado en los campos analógicos y digitales tienen algunas similitudes, pero cuando desea obtener mejores resultados, debido a sus diferentes estrategias de cableado, el diseño de cableado de circuito simple ya no es la solución óptima.

Este artículo analiza las similitudes y diferencias básicas entre el cableado analógico y digital en términos de condensadores de derivación, suministros de alimentación, diseño de tierra, errores de voltaje e interferencia electromagnética (EMI) causada por el cableado de PCB.

El número de diseñadores digitales y expertos en diseño de la placa de circuito digital en el campo de la ingeniería está aumentando constantemente, lo que refleja la tendencia de desarrollo de la industria. Aunque el énfasis en el diseño digital ha provocado grandes desarrollos en productos electrónicos, todavía existe, y siempre habrá algunos diseños de circuitos que interactúan con entornos analógicos o reales. Las estrategias de cableado en los campos analógicos y digitales tienen algunas similitudes, pero cuando desea obtener mejores resultados, debido a sus diferentes estrategias de cableado, el diseño de cableado de circuito simple ya no es la solución óptima.

Este artículo analiza las similitudes y diferencias básicas entre el cableado analógico y digital en términos de condensadores de derivación, suministros de alimentación, diseño de tierra, errores de voltaje e interferencia electromagnética (EMI) causada por el cableado de PCB.

Agregar condensadores de derivación o desacoplamiento en la placa de circuito y la ubicación de estos condensadores en la placa son sentido común para los diseños digitales y analógicos. Pero curiosamente, las razones son diferentes.

En el diseño de cableado analógico, los condensadores de derivación generalmente se usan para evitar señales de alta frecuencia en la fuente de alimentación. Si no se agregan condensadores de derivación, estas señales de alta frecuencia pueden ingresar chips analógicos sensibles a través de los pasadores de la fuente de alimentación. En términos generales, la frecuencia de estas señales de alta frecuencia excede la capacidad de los dispositivos analógicos para suprimir las señales de alta frecuencia. Si el condensador de derivación no se usa en el circuito analógico, se puede introducir el ruido en la ruta de la señal, y en casos más graves, incluso puede causar vibración.

En el diseño de PCB analógico y digital, los condensadores de derivación o desacoplamiento (0.1UF) deben colocarse lo más cerca posible del dispositivo. El condensador de desacoplamiento de la fuente de alimentación (10UF) debe colocarse en la entrada de la línea de alimentación de la placa de circuito. En todos los casos, los alfileres de estos condensadores deben ser cortos.

En la placa de circuito de la Figura 2, se utilizan diferentes rutas para enrutar los cables de energía y tierra. Debido a esta cooperación inadecuada, los componentes electrónicos y los circuitos en la placa de circuito tienen más probabilidades de estar sujetos a interferencia electromagnética.

En el panel único de la Figura 3, los cables de alimentación y tierra a los componentes de la placa de circuito están cerca uno del otro. La relación de coincidencia de la línea de alimentación y la línea de tierra en esta placa de circuito es apropiada como se muestra en la Figura 2. La probabilidad de componentes electrónicos y circuitos en la placa de circuito que se está sometiendo a interferencia electromagnética (EMI) se reduce en 679/12.8 veces o aproximadamente 54 veces.
　　
Para dispositivos digitales como controladores y procesadores, también se requieren condensadores de desacoplamiento, pero por diferentes razones. Una función de estos condensadores es actuar como un banco de cargos "en miniatura".

En los circuitos digitales, generalmente se requiere una gran cantidad de corriente para realizar la conmutación de estado de la puerta. Dado que el cambio de corrientes transitorias se genera en el chip durante la conmutación y el flujo a través de la placa de circuito, es ventajoso tener cargas adicionales de "repuesto". Si no hay suficiente carga al realizar la acción de conmutación, el voltaje de la fuente de alimentación cambiará enormemente. Demasiado cambio de voltaje hará que el nivel de señal digital ingrese a un estado incierto, y puede hacer que la máquina de estado en el dispositivo digital funcione incorrectamente.

La corriente de conmutación que fluye a través de la traza de la placa de circuito hará que el voltaje cambie, y la traza de la placa de circuito tiene inductancia parasitaria. La siguiente fórmula se puede usar para calcular el cambio de voltaje: V = LDI/DT. Entre ellos: V = Cambio de voltaje, L = inductancia de traza de la placa de circuito, DI = cambio de corriente a través de la traza, dt = tiempo de cambio de corriente.
　　
Por lo tanto, por muchas razones, es mejor aplicar condensadores de derivación (o desacoplamiento) en la fuente de alimentación o en los pasadores de la fuente de alimentación de los dispositivos activos.

El cable de alimentación y el cable de tierra deben enrutarse juntos

La posición del cable de alimentación y el cable de tierra están bien combinados para reducir la posibilidad de interferencia electromagnética. Si la línea de alimentación y la línea de tierra no coinciden correctamente, se diseñará un bucle del sistema y probablemente se generará ruido.

Un ejemplo de un diseño de PCB donde la línea de alimentación y la línea de tierra no coinciden correctamente en la Figura 2. En esta placa de circuito, el área de bucle diseñada es de 697 cm². Usando el método que se muestra en la Figura 3, la posibilidad de ruido radiado dentro o fuera del voltaje inductor de la placa de circuito en el bucle puede reducirse considerablemente.

La diferencia entre las estrategias de cableado analógico y digital

▍ El plano de tierra es un problema

El conocimiento básico del cableado de la placa de circuito es aplicable a los circuitos analógicos y digitales. Una regla general básica es usar un plano de tierra ininterrumpido. Este sentido común reduce el efecto DI/DT (cambio en la corriente con el tiempo) en los circuitos digitales, lo que cambia el potencial de tierra y hace que el ruido ingrese a los circuitos analógicos.

Las técnicas de cableado para circuitos digitales y analógicos son básicamente las mismas, con una excepción. Para los circuitos analógicos, hay otro punto a tener en cuenta, es decir, mantenga las líneas de señal digital y los bucles en el plano de tierra lo más lejos posible de los circuitos analógicos. Esto se puede lograr conectando el plano de tierra analógico a la conexión a tierra del sistema por separado, o colocando el circuito analógico en el extremo lejano de la placa de circuito, que es el final de la línea. Esto se hace para mantener la interferencia externa en la ruta de la señal al mínimo.

No es necesario hacer esto para los circuitos digitales, lo que puede tolerar mucho ruido en el plano de tierra sin problemas.

La Figura 4 (izquierda) aísla la acción de conmutación digital del circuito analógico y separa las partes digitales y analógicas del circuito. (Derecho) La alta frecuencia y la baja frecuencia deben separarse tanto como sea posible, y los componentes de alta frecuencia deben estar cerca de los conectores de la placa de circuito.

Figura 5 Diseño Dos trazas de cierre en la PCB, es fácil formar capacitancia parasitaria. Debido a la existencia de este tipo de capacitancia, un cambio de voltaje rápido en una traza puede generar una señal de corriente en la otra traza.

Figura 6 Si no presta atención a la colocación de las trazas, las trazas en el PCB pueden producir inductancia de línea e inductancia mutua. Esta inductancia parasitaria es muy perjudicial para la operación de circuitos, incluidos los circuitos de conmutación digital.

▍ Ubicación del componente

Como se mencionó anteriormente, en cada diseño de PCB, la parte de ruido del circuito y la parte "silenciosa" (parte no rentable) deben separarse. En términos generales, los circuitos digitales son "ricos" en ruido y son insensibles al ruido (porque los circuitos digitales tienen una mayor tolerancia al ruido de voltaje); Por el contrario, la tolerancia al ruido de voltaje de los circuitos analógicos es mucho menor.

De los dos, los circuitos analógicos son los más sensibles al ruido de conmutación. En el cableado de un sistema de señal mixta, estos dos circuitos deben separarse, como se muestra en la Figura 4.
　　
▍ Componentes parasitarios generados por PCB Design

Dos elementos parasitarios básicos que pueden causar problemas se forman fácilmente en el diseño de PCB: capacitancia parasitaria e inductancia parasitaria.

Al diseñar una placa de circuito, colocar dos rastros cercanos entre sí generará una capacitancia parasitaria. Puede hacer esto: en dos capas diferentes, coloque una traza sobre la otra traza; o en la misma capa, coloque una traza junto a la otra traza, como se muestra en la Figura 5.
　　
En estas dos configuraciones de rastreo, los cambios en el voltaje con el tiempo (DV/DT) en una traza pueden causar corriente en la otra traza. Si la otra traza es alta impedancia, la corriente generada por el campo eléctrico se convertirá en voltaje.
　　
Los transitorios de voltaje rápido se producen con mayor frecuencia en el lado digital del diseño de la señal analógica. Si las trazas con transitorios de voltaje rápido están cerca de trazas analógicas de alta impedancia, este error afectará seriamente la precisión del circuito analógico. En este entorno, los circuitos analógicos tienen dos desventajas: su tolerancia al ruido es mucho menor que la de los circuitos digitales; y las trazas de alta impedancia son más comunes.
　　
El uso de una de las dos siguientes técnicas puede reducir este fenómeno. La técnica más utilizada es cambiar el tamaño entre trazas de acuerdo con la ecuación de capacitancia. El tamaño más efectivo para cambiar es la distancia entre las dos trazas. Cabe señalar que la variable D está en el denominador de la ecuación de capacitancia. A medida que D aumenta, la reactancia capacitiva disminuirá. Otra variable que se puede cambiar es la longitud de las dos trazas. En este caso, la longitud L disminuye, y la reactancia capacitiva entre las dos trazas también disminuirá.
　　
Otra técnica es colocar un cable de tierra entre estas dos trazas. El cable de tierra es de baja impedancia, y agregar otra traza como esta debilitará el campo eléctrico de interferencia, como se muestra en la Figura 5.
　　
El principio de inductancia parásita en la placa de circuito es similar al de la capacitancia parásita. También es para diseñar dos rastros. En dos capas diferentes, coloque una traza sobre la otra traza; o en la misma capa, coloque una traza al lado de la otra, como se muestra en la Figura 6.

En estas dos configuraciones de cableado, el cambio actual (DI/DT) de un rastro con el tiempo, debido a la inductancia de esta traza, generará voltaje en la misma traza; y debido a la existencia de inductancia mutua, se generará una corriente proporcional en la otra traza. Si el cambio de voltaje en la primera traza es lo suficientemente grande, la interferencia puede reducir la tolerancia de voltaje del circuito digital y causar errores. Este fenómeno no solo ocurre en los circuitos digitales, sino que este fenómeno es más común en los circuitos digitales debido a las grandes corrientes de cambio instantáneas en los circuitos digitales.
　　
Para eliminar el ruido potencial de las fuentes de interferencia electromagnética, es mejor separar las líneas analógicas "silenciosas" de los ruidosos puertos de E/S. Para tratar de lograr una red de bajo impedancia y una red de tierra, la inductancia de los cables del circuito digital debe minimizarse y el acoplamiento capacitivo de los circuitos analógicos debe minimizarse.
　　
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Conclusión

Después de determinar los rangos digitales y analógicos, el enrutamiento cuidadoso es esencial para una PCB exitosa. La estrategia de cableado generalmente se introduce a todos como regla general, porque es difícil probar el éxito final del producto en un entorno de laboratorio. Por lo tanto, a pesar de las similitudes en las estrategias de cableado de los circuitos digitales y analógicos, las diferencias en sus estrategias de cableado deben ser reconocidas y tomadas en serio.