Ingeniaritza arloan diseinatzaile digitalen eta zirkuitu digitaleko plaken diseinuko adituen kopurua etengabe handitzen ari da, eta horrek industriaren garapen joera islatzen du. Diseinu digitalari garrantzia emateak produktu elektronikoetan garapen handiak ekarri baditu ere, oraindik existitzen da, eta beti egongo dira ingurune analogiko edo errealekin interfazea duten zirkuitu diseinu batzuk. Eremu analogiko eta digitaleko kableatze-estrategiek antzekotasun batzuk dituzte, baina emaitza hobeak lortu nahi direnean, kableatzeko estrategia desberdinak direla eta, zirkuitu kableatu sinplearen diseinua ez da irtenbide optimoa.

Artikulu honek kableatu analogikoaren eta digitalaren arteko oinarrizko antzekotasunak eta desberdintasunak aztertzen ditu saihesbide-kondentsadoreei, elikadura-iturriei, lurraren diseinuari, tentsio-erroreei eta interferentzia elektromagnetikoei (EMI) PCB kableatuek eragindakoei dagokienez.

Ingeniaritza arloan diseinatzaile digitalen eta zirkuitu digitaleko plaken diseinuko adituen kopurua etengabe handitzen ari da, eta horrek industriaren garapen joera islatzen du. Diseinu digitalari garrantzia emateak produktu elektronikoetan garapen handiak ekarri baditu ere, oraindik existitzen da, eta beti egongo dira ingurune analogiko edo errealekin interfazea duten zirkuitu diseinu batzuk. Eremu analogiko eta digitaleko kableatze-estrategiek antzekotasun batzuk dituzte, baina emaitza hobeak lortu nahi direnean, kableatzeko estrategia desberdinak direla eta, zirkuitu kableatu sinplearen diseinua ez da irtenbide optimoa.

Artikulu honek kableatu analogikoaren eta digitalaren arteko oinarrizko antzekotasunak eta desberdintasunak aztertzen ditu saihesbide-kondentsadoreei, elikadura-iturriei, lurraren diseinuari, tentsio-erroreei eta interferentzia elektromagnetikoei (EMI) PCB kableatuek eragindakoei dagokienez.

Zirkuitu plakan saihesbide edo desakoplamendu kondentsadoreak gehitzea eta plakan kondentsadore horien kokapena zentzu arrunta da diseinu digital eta analogikoetarako. Baina interesgarria da, arrazoiak desberdinak dira.

Kableatu analogikoko diseinuan, saihesbide-kondentsadoreak erabili ohi dira elikadura-iturriko maiztasun handiko seinaleak saihesteko. Saihesbide-kondentsadoreak gehitzen ez badira, maiztasun handiko seinale hauek txip analogiko sentikorrak sar daitezke elikadura-horniduraren pinetatik. Oro har, maiztasun handiko seinale horien maiztasunak gailu analogikoek maiztasun handiko seinaleak ezabatzeko duten gaitasuna gainditzen du. Saihesbideko kondentsadorea zirkuitu analogikoan erabiltzen ez bada, baliteke seinalearen bidean zarata sartzea, eta kasu larriagoetan, bibrazioak ere eragin ditzake.

PCB analogiko eta digitalaren diseinuan, saihesteko edo desakoplatzeko kondentsadoreak (0,1uF) gailutik ahalik eta gertuen jarri behar dira. Elikadura-hornidura desakoplatzeko kondentsadorea (10uF) zirkuitu plakaren elikadura-lerroaren sarreran jarri behar da. Kasu guztietan, kondentsadore hauen pinek laburrak izan behar dute.

2. irudiko zirkuitu plakan, bide desberdinak erabiltzen dira potentzia eta lurreko hariak bideratzeko. Lankidetza desegoki hori dela eta, zirkuitu plakako osagai elektronikoek eta zirkuituek interferentzia elektromagnetikoen menpe egon daitezke.

3. Irudiko panel bakarrean, zirkuitu plakako osagaien potentzia eta lurreko hariak elkarrengandik hurbil daude. Zirkuitu-plaka elektriko-lerroaren eta lur-lerroaren parekatze-erlazioa egokia da 2. irudian ikusten den moduan. Zirkuitu-plakako osagai elektronikoek eta zirkuituek interferentzia elektromagnetikoak (EMI) jasateko probabilitatea 679/12,8 aldiz murrizten da edo. 54 aldiz inguru.
　　
Kontroladoreak eta prozesadoreak bezalako gailu digitaletarako, desakoplatzeko kondentsadoreak ere beharrezkoak dira, baina arrazoi ezberdinengatik. Kondentsadore hauen funtzio bat "miniaturazko" karga-banku gisa jardutea da.

Zirkuitu digitaletan, korronte kopuru handia behar da normalean atearen egoera aldatzeko. Kommutazio-korronte iragankorrak txipan sortzen direnez kommutazioan zehar eta zirkuitu-plakan zehar igarotzen direnez, abantailatsua da "ordezko" karga gehigarriak izatea. Aldaketa-ekintza egitean karga nahikorik ez badago, elikadura-iturri tentsioa asko aldatuko da. Tentsio-aldaketa gehiegi handik seinale digitalaren maila ziurgabeko egoera batean sartzea eragingo du, eta baliteke gailu digitaleko egoera-makina gaizki funtzionatzea.

Zirkuitu-plakaren arrastoan zehar igarotzen den korronte kommutatzaileak tentsioa aldatzea eragingo du, eta zirkuitu-plakaren arrastoak induktantzia parasitoa du. Tentsio-aldaketa kalkulatzeko formula hau erabil daiteke: V = LdI/dt. Horien artean: V = tentsio-aldaketa, L = zirkuitu-plakaren traza-induktantzia, dI = korronte-aldaketa arrastoan zehar, dt = korronte-aldaketa-denbora.
　　
Hori dela eta, arrazoi askorengatik, hobe da saihesteko (edo desakoplatzeko) kondentsadoreak elikadura-iturrian edo gailu aktiboen elikadura-pinetan aplikatzea.

Elikatze-kablea eta lurreko kablea elkarrekin bideratu behar dira

Elikatze-kablearen eta lurreko kablearen posizioa ondo uztartzen dira interferentzia elektromagnetikoak izateko aukera murrizteko. Linea elektrikoa eta lurreko linea behar bezala uztartzen ez badira, sistemaren begizta bat diseinatuko da eta litekeena da zarata sortzea.

2. Irudian elektrizitate-lerroa eta lurreko linea behar bezala uztartzen ez diren PCB diseinuaren adibide bat ageri da. Zirkuitu-plaka honetan, diseinatutako begizta-eremua 697 cm²-koa da. 3. Irudian erakusten den metodoa erabiliz, zirkuitu plakan edo kanpoan irradiatutako zarata begiztan tentsioa eragiten duen aukera asko murriztu daiteke.

Kableatu analogikoaren eta digitalaren estrategiaren arteko aldea

▍Lurreko planoa arazo bat da

Zirkuitu-plaken kableatuaren oinarrizko ezagutzak zirkuitu analogiko zein digitaletarako aplikagarriak dira. Oinarrizko arau bat etenik gabeko lurreko planoa erabiltzea da. Zentzu on honek dI/dt (korrontearen aldaketa denborarekin) efektua murrizten du zirkuitu digitaletan, lurreko potentziala aldatzen du eta zarata zirkuitu analogikoetan sartzea eragiten du.

Zirkuitu digital eta analogikoen kableatzeko teknikak berdinak dira funtsean, salbuespen batekin. Zirkuitu analogikoetarako, beste puntu bat ere kontuan hartu behar da, hau da, seinale digitalaren lerroak eta begiztak lurreko planoan mantendu zirkuitu analogikoetatik ahalik eta urrun. Hori lortu daiteke lurreko plano analogikoa sistemaren lurrerako konexioarekin bereiz konektatuz, edo zirkuitu analogikoa zirkuitu plakaren muturrean jarriz, hau da, linearen amaieran. Hau egiten da seinalearen bidean kanpoko interferentziak ahalik eta gutxien edukitzeko.

Zirkuitu digitaletarako ez dago hori egin beharrik, lurreko planoan zarata asko jasan dezakete arazorik gabe.

4. irudiak (ezkerrean) kommutazio digitalaren ekintza zirkuitu analogikotik isolatzen du eta zirkuituaren zati digitalak eta analogikoak bereizten ditu. (Eskuinean) Maiztasun altua eta maiztasun baxua ahalik eta gehien bereizi behar dira, eta maiztasun handiko osagaiak zirkuitu plakako konektoreetatik gertu egon behar dira.

5. Irudia Diseinua hurbileko bi arrasto PCBan, erraza da kapazitate parasitoa osatzea. Kapazitate mota hau dagoenez, arrasto batean tentsio aldaketa azkar batek beste arrastoan korronte seinalea sor dezake.

6. Irudia Arrastoen kokapenari erreparatzen ez badiozu, PCBko aztarnek lineako induktantzia eta elkarrekiko induktantzia sor ditzakete. Induktantzia parasito hau oso kaltegarria da kommutazio-zirkuitu digitalak barne zirkuituen funtzionamenduan.

▍Osagaien kokapena

Goian esan bezala, PCB diseinu bakoitzean, zirkuituaren zarata zatia eta zati "isila" (zarata ez den zatia) bereizi behar dira. Oro har, zirkuitu digitalak zaratetan "aberatsak" dira eta ez dira zaratarekiko sentikortasunik (zirkuitu digitalek tentsio-zarata tolerantzia handiagoa baitute); aitzitik, zirkuitu analogikoen tentsio zaratarekiko tolerantzia askoz txikiagoa da.

Bietatik, zirkuitu analogikoak dira kommutazio zaratarekiko sentikorrenak. Seinale mistoko sistema baten kableatzean, bi zirkuitu hauek bereizi behar dira, 4. Irudian ikusten den moduan.
　　
▍PCB diseinuak sortutako osagai parasitoak

Arazoak sor ditzaketen oinarrizko bi elementu parasitoak erraz sortzen dira PCB diseinuan: kapazitantzia parasitoa eta induktantzia parasitoa.

Zirkuitu plaka bat diseinatzean, bi arrasto bata bestearen ondoan jartzeak kapazitate parasitoa sortuko du. Hau egin dezakezu: Bi geruza ezberdinetan, jarri arrasto bat beste arrastoaren gainean; edo geruza berean, jarri arrasto bat beste arrastoaren ondoan, 5. irudian ikusten den moduan.
　　
Bi arrastoen konfigurazio hauetan, denboran zehar tentsio-aldaketek (dV/dt) arrasto batean korrontea eragin dezakete beste arrastoan. Beste arrastoa inpedantzia handia bada, eremu elektrikoak sortzen duen korrontea tentsio bihurtuko da.
　　
Tentsio azkarreko iragankorrak seinale analogikoaren diseinuaren alde digitalean gertatzen dira gehienetan. Tentsio bizkorreko iragankorrak dituzten arrastoak inpedantzia handiko arrasto analogikoetatik gertu badaude, errore honek zirkuitu analogikoaren zehaztasunari eragin handia izango dio. Ingurune horretan, zirkuitu analogikoek bi desabantaila dituzte: haien zaratarekiko tolerantzia zirkuitu digitalek baino askoz txikiagoa da; eta inpedantzia handiko arrastoak ohikoagoak dira.
　　
Ondorengo bi teknika hauetako bat erabiltzeak fenomeno hau murrizten du. Gehien erabiltzen den teknika arrastoen arteko tamaina aldatzea da, kapazitate-ekuazioaren arabera. Aldatzeko tamaina eraginkorrena bi arrastoen arteko distantzia da. Kontuan izan behar da d aldagaia kapazitate-ekuazioaren izendatzailean dagoela. d handitzen den heinean, erreaktantzia kapazitiboa gutxituko da. Alda daitekeen beste aldagai bat bi arrastoen luzera da. Kasu honetan, L luzera txikiagotu egiten da, eta bi arrastoen arteko erreaktantzia kapazitiboa ere murriztuko da.
　　
Beste teknika bat bi arrasto horien artean lur-hari bat jartzea da. Beheko kablea inpedantzia baxua da, eta honelako beste arrasto bat gehitzeak interferentzia-eremu elektrikoa ahulduko du, 5. Irudian ikusten den moduan.
　　
Zirkuitu plakan induktantzia parasitarioaren printzipioa kapazitate parasitarioaren antzekoa da. Bi arrasto ezartzea ere bada. Bi geruza ezberdinetan, jarri arrasto bat beste arrastoaren gainean; edo geruza berean, jarri arrasto bat bestearen ondoan, 6. irudian ikusten den bezala.

Bi kable-konfigurazio hauetan, traza baten korronte-aldaketak (dI/dt) denborarekin, arrasto horren induktantzia dela eta, traza berean tentsioa sortuko du; eta elkarrekiko induktantzia dagoenez, beste arrastoan korronte proportzionala sortzen da. Lehen arrastoan tentsio-aldaketa nahikoa handia bada, interferentziak zirkuitu digitalaren tentsio-perdoia murriztu dezake eta akatsak sor ditzake. Fenomeno hau ez da zirkuitu digitaletan bakarrik gertatzen, baizik eta fenomeno hau zirkuitu digitaletan ohikoagoa da zirkuitu digitalen berehalako kommutazio-korronte handiak direlako.
　　
Interferentzia elektromagnetikoen iturrietatik potentziala zarata kentzeko, hobe da linea analogiko "isilak" bereiztea I/O ataka zaratatsuetatik. Inpedantzia baxuko potentzia eta lurrezko sare bat lortzen saiatzeko, zirkuitu digitalen kableen induktantzia gutxitu behar da eta zirkuitu analogikoen akoplamendu kapazitiboa murriztu behar da.
　　
03

Ondorioa

Barruti digitalak eta analogikoak zehaztu ondoren, bideratze zaindua ezinbestekoa da PCB arrakastatsua izateko. Kablearen estrategia orokorrean denentzat aurkezten da normalean, zaila delako produktuaren azken arrakasta laborategiko ingurune batean probatzea. Hori dela eta, zirkuitu digital eta analogikoen kableatzeko estrategietan antzekotasunak izan arren, haien kableatzeko estrategien desberdintasunak aintzat hartu eta serio hartu behar dira.