Insenerivaldkonna digidisainerite ja digitrükkplaatide disainiekspertide arv kasvab pidevalt, mis peegeldab valdkonna arengutrendi. Kuigi rõhuasetus digitaalsele disainile on toonud kaasa suuri arenguid elektroonikatoodetes, on see endiselt olemas ja alati on olemas mõned vooluringid, mis liidestuvad analoog- või reaalkeskkonnaga. Analoog- ja digitaalvaldkonna juhtmestiku strateegiatel on mõningaid sarnasusi, kuid kui soovite saada paremaid tulemusi, ei ole nende erinevate juhtmestikustrateegiate tõttu lihtne vooluahela juhtmestiku disain enam optimaalne lahendus.

Selles artiklis käsitletakse analoog- ja digitaaljuhtmestiku põhilisi sarnasusi ja erinevusi möödaviigukondensaatorite, toiteallikate, maanduskonstruktsiooni, pingevigade ja PCB-juhtmestiku põhjustatud elektromagnetiliste häirete (EMI) osas.

Insenerivaldkonna digidisainerite ja digitrükkplaatide disainiekspertide arv kasvab pidevalt, mis peegeldab valdkonna arengutrendi. Kuigi rõhuasetus digitaalsele disainile on toonud kaasa suuri arenguid elektroonikatoodetes, on see endiselt olemas ja alati on olemas mõned vooluringid, mis liidestuvad analoog- või reaalkeskkonnaga. Analoog- ja digitaalvaldkonna juhtmestiku strateegiatel on mõningaid sarnasusi, kuid kui soovite saada paremaid tulemusi, ei ole nende erinevate juhtmestikustrateegiate tõttu lihtne vooluahela juhtmestiku disain enam optimaalne lahendus.

Selles artiklis käsitletakse analoog- ja digitaaljuhtmestiku põhilisi sarnasusi ja erinevusi möödaviigukondensaatorite, toiteallikate, maanduskonstruktsiooni, pingevigade ja PCB-juhtmestiku põhjustatud elektromagnetiliste häirete (EMI) osas.

Möödaviik- või lahtisidumiskondensaatorite lisamine trükkplaadile ja nende kondensaatorite asukoht plaadil on digitaal- ja analoogkonstruktsioonide puhul mõistlik. Kuid huvitaval kombel on põhjused erinevad.

Analoogjuhtmestiku projekteerimisel kasutatakse möödavoolukondensaatoreid tavaliselt toiteallika kõrgsageduslike signaalide möödaviimiseks. Kui möödavoolukondensaatoreid ei lisata, võivad need kõrgsageduslikud signaalid siseneda tundlikesse analoogkiipidesse toiteallika kontaktide kaudu. Üldiselt ületab nende kõrgsageduslike signaalide sagedus analoogseadmete võime kõrgsageduslikke signaale maha suruda. Kui analoogahelas möödaviikkondensaatorit ei kasutata, võib signaaliteele tekkida müra ja tõsisematel juhtudel isegi vibratsiooni.

Analoog- ja digitaalse trükkplaadi konstruktsioonis tuleks möödaviigu- või lahtisidumiskondensaatorid (0,1uF) asetada seadmele võimalikult lähedale. Toiteallika lahtisidumise kondensaator (10uF) tuleks asetada trükkplaadi toiteliini sissepääsu juurde. Kõigil juhtudel peaksid nende kondensaatorite kontaktid olema lühikesed.

Joonisel 2 kujutatud trükkplaadil kasutatakse toite- ja maandusjuhtmete suunamiseks erinevaid teid. Selle sobimatu koostöö tõttu on trükkplaadi elektroonilised komponendid ja vooluringid suurema tõenäosusega elektromagnetiliste häirete all.

Joonisel 3 kujutatud üksikul paneelil on trükkplaadi komponentide toite- ja maandusjuhtmed üksteise lähedal. Toiteliini ja maandusliini sobitussuhe sellel trükkplaadil on asjakohane, nagu on näidatud joonisel 2. Tõenäosus, et trükkplaadi elektroonilised komponendid ja vooluringid puutuvad kokku elektromagnetiliste häiretega (EMI) vähenevad 679/12,8 korda või umbes 54 korda.
　　
Digitaalsete seadmete, nagu kontrollerid ja protsessorid, jaoks on vaja ka lahtisiduvaid kondensaatoreid, kuid erinevatel põhjustel. Nende kondensaatorite üks funktsioon on toimida "miniatuurse" laadimispangana.

Digitaalsetes ahelates on paisu oleku ümberlülitamiseks tavaliselt vaja suurt voolu. Kuna lülitamisel tekivad kiibil lülitustransientvoolud, mis voolavad läbi trükkplaadi, on kasulik omada täiendavaid “varulaenguid”. Kui lülitustoimingu sooritamisel pole piisavalt laetust, muutub toitepinge oluliselt. Liiga suur pingemuutus viib digitaalse signaali taseme ebakindlasse olekusse ja võib põhjustada digitaalseadme olekumasina valesti töötamist.

Trükkplaadi jälge läbiv lülitusvool põhjustab pinge muutumise ja trükkplaadi jäljel on parasiitne induktiivsus. Pingemuutuse arvutamiseks saab kasutada järgmist valemit: V = LdI/dt. Nende hulgas: V = pinge muutus, L = trükkplaadi jälje induktiivsus, dI = voolu muutus läbi jälje, dt = voolu muutuse aeg.
　　
Seetõttu on paljudel põhjustel parem kasutada toiteallikas või aktiivsete seadmete toiteallika kontaktides möödaviigu (või lahtisidumise) kondensaatoreid.

Toitejuhe ja maandusjuhe tuleb ühendada

Toitejuhtme ja maandusjuhtme asend on hästi sobitatud, et vähendada elektromagnetiliste häirete võimalust. Kui elektriliin ja maandusliin ei ole korralikult sobitatud, projekteeritakse süsteemi ahel ja tõenäoliselt tekib müra.

Näide PCB konstruktsioonist, kus toiteliin ja maandusliin ei ole korralikult sobitatud, on näidatud joonisel 2. Sellel trükkplaadil on projekteeritud silmuse pindala 697 cm². Kasutades joonisel fig 3 näidatud meetodit, saab trükkplaadil või sealt välja kiirgusmüra ahelas pinge esilekutsumise võimalust oluliselt vähendada.

Analoog- ja digitaaljuhtmete strateegiate erinevus

▍Maapinnaga on probleem

Trükkplaadi juhtmestiku põhiteadmised on rakendatavad nii analoog- kui ka digitaalskeemide puhul. Põhiline rusikareegel on katkematu maapinna kasutamine. See terve mõistus vähendab digitaalahelates dI/dt (voolu muutumine ajas) efekti, mis muudab maanduspotentsiaali ja põhjustab müra sisenemist analoogahelatesse.

Digitaal- ja analoogahelate juhtmestikud on põhimõtteliselt samad, välja arvatud üks erand. Analoogahelate puhul tuleb tähele panna veel ühte punkti, see tähendab, et maapinnal olevad digitaalsed signaaliliinid ja silmused tuleb analoogahelatest võimalikult kaugel hoida. Seda saab saavutada, ühendades analoog-maaplaadi eraldi süsteemi maandusühendusega või asetades analoogahela trükkplaadi kaugemasse otsa, mis on liini lõpp. Seda tehakse selleks, et välised häired signaaliteel oleksid minimaalsed.

Seda pole vaja teha digitaalsete vooluahelate puhul, mis taluvad ilma probleemideta palju müra maapinnal.

Joonis 4 (vasakul) eraldab digitaalse lülitustoimingu analoogahelast ja eraldab ahela digitaalsed ja analoogsed osad. (Paremal) Kõrg- ja madalsagedus tuleks võimalikult palju eraldada ning kõrgsageduslikud komponendid peaksid asuma trükkplaadi pistikute lähedal.

Joonis 5. Paigutage PCB-le kaks tihedat jälge, parasiitmahtuvust on lihtne moodustada. Sellise mahtuvuse olemasolu tõttu võib kiire pingemuutus ühel jäljel tekitada voolusignaali teisel jäljel.

Joonis 6 Kui te ei pööra tähelepanu jälgede paigutusele, võivad jäljed trükkplaadil tekitada liiniinduktiivsust ja vastastikust induktiivsust. See parasiitne induktiivsus on väga kahjulik ahelate, sealhulgas digitaalsete lülitusahelate toimimisele.

▍Komponentide asukoht

Nagu eespool mainitud, tuleks igas PCB konstruktsioonis eraldada vooluahela müraosa ja "vaikne" osa (müravaba osa). Üldiselt on digitaalsed ahelad mürarikkad ja müra suhtes vähetundlikud (kuna digitaalsetel ahelatel on suurem pinge müra taluvus); vastupidi, analoogahelate pingemüra taluvus on palju väiksem.

Nendest kahest on lülitusmüra suhtes kõige tundlikumad analoogahelad. Segasignaaliga süsteemi juhtmestikus tuleks need kaks vooluahelat eraldada, nagu on näidatud joonisel 4.
　　
▍ PCB disainiga genereeritud parasiitkomponendid

PCB konstruktsioonis on kergesti moodustatavad kaks peamist parasiitelementi, mis võivad probleeme põhjustada: parasiitmahtuvus ja parasiitne induktiivsus.

Trükkplaadi projekteerimisel tekitab kahe jälje asetamine üksteise lähedale parasiitmahtuvuse. Saate seda teha: Kahel erineval kihil asetage üks jälg teise jälje peale; või samale kihile asetage üks jälg teise jälje kõrvale, nagu on näidatud joonisel 5.
　　
Nende kahe jälje konfiguratsiooni korral võivad pinge muutused aja jooksul (dV/dt) ühel jäljel põhjustada voolu teisele jäljele. Kui teine ​​jälg on kõrge impedantsiga, muundatakse elektrivälja tekitatud vool pingeks.
　　
Kiired pingesiirded esinevad kõige sagedamini analoogsignaali disaini digitaalsel küljel. Kui kiirete pingetransientidega jäljed on lähedased suure takistusega analoogjälgedele, mõjutab see viga tõsiselt analoogahela täpsust. Selles keskkonnas on analoogskeemidel kaks puudust: nende mürataluvus on palju madalam kui digitaalskeemidel; ja suure impedantsi jäljed on tavalisemad.
　　
Seda nähtust saab vähendada ühe kahest järgmisest tehnikast. Kõige sagedamini kasutatav tehnika on jälgede vahelise suuruse muutmine vastavalt mahtuvusvõrrandile. Kõige tõhusam suurus, mida saab muuta, on kahe jälje vaheline kaugus. Tuleb märkida, et muutuja d on mahtuvusvõrrandi nimetajas. Kui d suureneb, väheneb mahtuvuslik reaktiivvõime. Teine muutuja, mida saab muuta, on kahe jälje pikkus. Sel juhul pikkus L väheneb ja ka kahe jälje vaheline mahtuvuslik reaktiivvõime väheneb.
　　
Teine meetod on maandusjuhtme paigaldamine nende kahe jälje vahele. Maandusjuhe on madala takistusega ja sellise jälje lisamine nõrgendab häirete elektrivälja, nagu on näidatud joonisel 5.
　　
Trükkplaadi parasiitse induktiivsuse põhimõte on sarnane parasiitmahtuvuse põhimõttele. Samuti tuleb välja panna kaks jälge. Kahel erineval kihil asetage üks jälg teise jälje peale; või samale kihile asetage üks jälg teise kõrvale, nagu on näidatud joonisel 6.

Nendes kahes juhtmestiku konfiguratsioonis tekitab jälje voolu muutumine (dI/dt) ajas selle jälje induktiivsuse tõttu samal jäljel pinge; ja vastastikuse induktiivsuse olemasolu tõttu tekib Teisel jäljel proportsionaalne vool. Kui pingemuutus esimesel jäljel on piisavalt suur, võivad häired vähendada digitaalahela pingetaluvust ja põhjustada vigu. Seda nähtust ei esine mitte ainult digitaalsetes ahelates, vaid see nähtus on tavalisem digitaalsetes vooluahelates suurte hetkeliste lülitusvoolude tõttu.
　　
Elektromagnetiliste häirete allikatest tuleneva võimaliku müra kõrvaldamiseks on kõige parem eraldada "vaiksed" analoogliinid mürarikastest I/O portidest. Madala takistusega toite- ja maandusvõrgu saavutamiseks tuleks digitaalsete ahelate juhtmete induktiivsus minimeerida ja analoogahelate mahtuvuslik sidumine.
　　
03

Järeldus

Pärast digitaal- ja analoogvahemike kindlaksmääramist on eduka PCB jaoks oluline hoolikas marsruutimine. Juhtmete ühendamise strateegiat tutvustatakse tavaliselt kõigile rusikareeglina, sest toote ülimat edu on laborikeskkonnas raske testida. Seetõttu tuleb vaatamata digitaalsete ja analoogskeemide juhtmestiku strateegiate sarnasustele nende juhtmestiku strateegiate erinevused ära tunda ja neid tõsiselt võtta.