در طراحی PCB، چرا تفاوت بین مدار آنالوگ و مدار دیجیتال اینقدر زیاد است؟

تعداد طراحان دیجیتال و کارشناسان طراحی برد مدار دیجیتال در زمینه مهندسی به طور مداوم در حال افزایش است که نشان دهنده روند توسعه صنعت است. اگرچه تاکید بر طراحی دیجیتال پیشرفت های عمده ای را در محصولات الکترونیکی ایجاد کرده است، اما همچنان وجود دارد، و همیشه برخی از طرح های مدار وجود خواهند داشت که با محیط های آنالوگ یا واقعی ارتباط برقرار می کنند. استراتژی‌های سیم‌کشی در زمینه‌های آنالوگ و دیجیتال شباهت‌هایی دارند، اما وقتی می‌خواهید نتایج بهتری بگیرید، به دلیل استراتژی‌های سیم‌کشی متفاوت، طراحی سیم‌کشی مدار ساده دیگر راه‌حل بهینه نیست.

این مقاله شباهت ها و تفاوت های اساسی بین سیم کشی آنالوگ و دیجیتال از نظر خازن های بای پس، منابع تغذیه، طراحی زمین، خطاهای ولتاژ و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ناشی از سیم کشی PCB را مورد بحث قرار می دهد.

اضافه کردن خازن‌های بای‌پس یا جداکننده روی برد مدار و محل قرارگیری این خازن‌ها روی برد برای طراحی‌های دیجیتال و آنالوگ منطقی است. اما جالب اینجاست که دلایل آن متفاوت است.

در طراحی سیم کشی آنالوگ، معمولاً از خازن های بای پس برای دور زدن سیگنال های فرکانس بالا در منبع تغذیه استفاده می شود. اگر خازن های بای پس اضافه نشوند، این سیگنال های فرکانس بالا ممکن است از طریق پایه های منبع تغذیه وارد تراشه های آنالوگ حساس شوند. به طور کلی، فرکانس این سیگنال های فرکانس بالا از توانایی دستگاه های آنالوگ برای سرکوب سیگنال های فرکانس بالا بیشتر است. در صورت عدم استفاده از خازن بای پس در مدار آنالوگ، ممکن است نویز در مسیر سیگنال وارد شود و در موارد جدی تر حتی باعث ایجاد لرزش شود.

در طراحی PCB آنالوگ و دیجیتال، خازن های بای پس یا جداکننده (0.1uF) باید تا حد امکان نزدیک دستگاه قرار گیرند. خازن جداکننده منبع تغذیه (10uF) باید در ورودی خط برق برد مدار قرار گیرد. در تمام موارد، پایه های این خازن ها باید کوتاه باشند.

روی برد مدار در شکل 2، مسیرهای مختلفی برای مسیریابی سیم های برق و زمین استفاده شده است. به دلیل این همکاری نامناسب، قطعات و مدارهای الکترونیکی روی برد مدار بیشتر در معرض تداخل الکترومغناطیسی قرار می گیرند.

در تک پنل شکل 3، سیم های برق و زمین به قطعات روی برد مدار نزدیک به یکدیگر هستند. نسبت تطبیق خط برق و خط زمین در این برد مدار مطابق شکل 2 است. احتمال اینکه قطعات و مدارهای الکترونیکی در برد مدار در معرض تداخل الکترومغناطیسی (EMI) قرار گیرند تا 679/12.8 برابر کاهش می یابد یا حدود 54 بار
　　
برای دستگاه‌های دیجیتالی مانند کنترل‌کننده‌ها و پردازنده‌ها، خازن‌های جداکننده نیز مورد نیاز است، اما به دلایل مختلف. یکی از عملکردهای این خازن ها این است که به عنوان یک بانک شارژ "مینیاتوری" عمل کنند.

در مدارهای دیجیتال معمولاً جریان زیادی برای انجام سوئیچینگ حالت گیت مورد نیاز است. از آنجایی که جریان های گذرا سوئیچینگ در حین سوئیچینگ روی تراشه ایجاد می شود و از طریق تخته مدار جریان می یابد، داشتن شارژهای اضافی اضافی سودمند است. اگر هنگام انجام عمل سوئیچینگ شارژ کافی نباشد، ولتاژ منبع تغذیه به شدت تغییر می کند. تغییر بیش از حد ولتاژ باعث می شود که سطح سیگنال دیجیتال وارد یک حالت نامشخص شود و ممکن است باعث شود که دستگاه حالت در دستگاه دیجیتال به درستی کار نکند.

جریان سوئیچینگ که از طریق صفحه مدار می گذرد باعث تغییر ولتاژ می شود و رد صفحه مدار دارای اندوکتانس انگلی است. برای محاسبه تغییر ولتاژ می توان از فرمول زیر استفاده کرد: V = LdI/dt. از جمله: V = تغییر ولتاژ، L = اندوکتانس ردیابی برد مدار، dI = تغییر جریان از طریق ردیابی، dt = زمان تغییر جریان.
　　
بنابراین، به دلایل زیادی، بهتر است از خازن های بای پس (یا جداکننده) در منبع تغذیه یا در پایه های منبع تغذیه دستگاه های فعال استفاده شود.

سیم برق و سیم زمین باید با هم هدایت شوند

موقعیت سیم برق و سیم زمین به خوبی مطابقت دارند تا احتمال تداخل الکترومغناطیسی کاهش یابد. اگر خط برق و خط زمین به درستی مطابقت نداشته باشند، یک حلقه سیستم طراحی می شود و احتمالاً نویز ایجاد می شود.

نمونه ای از طراحی PCB که در آن خط برق و خط زمین به درستی مطابقت ندارند در شکل 2 نشان داده شده است. در این برد مدار، مساحت حلقه طراحی شده 697 سانتی متر مربع است. با استفاده از روش نشان داده شده در شکل 3، امکان تابش نویز بر روی یا خاموش شدن ولتاژ صفحه مدار که باعث القای ولتاژ در حلقه می شود را می توان تا حد زیادی کاهش داد.

تفاوت بین استراتژی سیم کشی آنالوگ و دیجیتال

▍ هواپیمای زمین مشکل دارد

دانش اولیه سیم کشی برد مدار برای مدارهای آنالوگ و دیجیتال قابل اجرا است. یک قانون اساسی استفاده از یک صفحه زمین بدون وقفه است. این حس مشترک اثر dI/dt (تغییر جریان با زمان) را در مدارهای دیجیتال کاهش می دهد که باعث تغییر پتانسیل زمین و ورود نویز به مدارهای آنالوگ می شود.

روش های سیم کشی برای مدارهای دیجیتال و آنالوگ اساسا یکسان است، با یک استثنا. برای مدارهای آنالوگ نکته دیگری نیز وجود دارد که باید به آن توجه کرد، این است که خطوط و حلقه های سیگنال دیجیتال را در صفحه زمین تا حد امکان از مدارهای آنالوگ دور نگه دارید. این را می توان با اتصال صفحه زمین آنالوگ به اتصال زمین سیستم به طور جداگانه، یا قرار دادن مدار آنالوگ در انتهای برد مدار، که انتهای خط است، به دست آورد. این کار برای به حداقل رساندن تداخل خارجی در مسیر سیگنال انجام می شود.

برای مدارهای دیجیتالی که می توانند نویزهای زیادی را در سطح زمین بدون مشکل تحمل کنند، نیازی به انجام این کار نیست.

شکل 4 (سمت چپ) عمل سوئیچینگ دیجیتال را از مدار آنالوگ جدا می کند و قسمت های دیجیتال و آنالوگ مدار را جدا می کند. (درست) فرکانس بالا و فرکانس پایین باید تا حد امکان از هم جدا شوند و اجزای فرکانس بالا باید به کانکتورهای برد مدار نزدیک باشند.

شکل 5 طرح دو اثر نزدیک بر روی PCB، آن را آسان به شکل خازن انگلی است. با توجه به وجود این نوع خازن، تغییر سریع ولتاژ در یک ردیابی می تواند سیگنال جریان را در اثر دیگر ایجاد کند.

شکل 6 اگر به محل قرارگیری ردیابی ها توجه نکنید، ردیابی ها در PCB ممکن است اندوکتانس خط و اندوکتانس متقابل ایجاد کنند. این اندوکتانس انگلی برای عملکرد مدارها از جمله مدارهای سوئیچینگ دیجیتال بسیار مضر است.

▍محل کامپوننت

همانطور که در بالا ذکر شد، در هر طراحی PCB، بخش نویز مدار و بخش "بی صدا" (قسمت بدون نویز) باید از هم جدا شوند. به طور کلی، مدارهای دیجیتال از نظر نویز "غنی" هستند و نسبت به نویز حساس نیستند (زیرا مدارهای دیجیتال تحمل نویز ولتاژ بیشتری دارند). در مقابل، تحمل نویز ولتاژ مدارهای آنالوگ بسیار کمتر است.

از بین این دو، مدارهای آنالوگ حساس ترین مدارها به نویز سوئیچینگ هستند. در سیم کشی یک سیستم سیگنال مختلط، این دو مدار باید از هم جدا شوند، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.
　　
▍ اجزای انگلی تولید شده توسط طراحی PCB

دو عنصر انگلی اساسی که ممکن است باعث ایجاد مشکل شوند به راحتی در طراحی PCB تشکیل می شوند: ظرفیت انگلی و اندوکتانس انگلی.

هنگام طراحی یک برد مدار، قرار دادن دو اثر نزدیک به هم باعث ایجاد خازن انگلی می شود. می توانید این کار را انجام دهید: روی دو لایه مختلف، یک اثر را روی رد دیگری قرار دهید. یا روی همان لایه، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، یک اثر را در کنار رد دیگری قرار دهید.
　　
در این دو پیکربندی ردیابی، تغییرات ولتاژ در طول زمان (dV/dt) در یک ردیابی ممکن است باعث ایجاد جریان در اثر دیگر شود. اگر اثر دیگر امپدانس بالا باشد، جریان تولید شده توسط میدان الکتریکی به ولتاژ تبدیل می شود.
　　
گذرهای ولتاژ سریع اغلب در سمت دیجیتال طراحی سیگنال آنالوگ رخ می دهد. اگر ردیابی با گذرهای ولتاژ سریع نزدیک به ردپای آنالوگ با امپدانس بالا باشد، این خطا بر دقت مدار آنالوگ تأثیر جدی خواهد گذاشت. در این محیط، مدارهای آنالوگ دو عیب دارند: تحمل نویز آنها بسیار کمتر از مدارهای دیجیتال است. و ردیابی امپدانس بالا بیشتر رایج است.
　　
استفاده از یکی از دو تکنیک زیر می تواند این پدیده را کاهش دهد. متداول ترین روش استفاده شده تغییر اندازه بین ردیابی ها با توجه به معادله خازن است. موثرترین اندازه برای تغییر فاصله بین دو ردیابی است. لازم به ذکر است که متغیر d در مخرج معادله ظرفیت است. با افزایش d، راکتانس خازنی کاهش می یابد. متغیر دیگری که می توان آن را تغییر داد طول دو ردیابی است. در این حالت طول L کاهش می یابد و راکتانس خازنی بین دو ردیابی نیز کاهش می یابد.
　　
روش دیگر گذاشتن سیم زمین بین این دو اثر است. سیم زمین دارای امپدانس کم است و افزودن رد دیگری مانند این میدان الکتریکی تداخل را ضعیف می کند، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.
　　
اصل اندوکتانس انگلی در برد مدار شبیه به خازن انگلی است. همچنین برای طرح دو اثر است. روی دو لایه مختلف، یک اثر را روی رد دیگری قرار دهید. یا روی همان لایه، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، یک اثر را در کنار دیگری قرار دهید.

در این دو پیکربندی سیم‌کشی، تغییر جریان (dI/dt) یک ردیابی با زمان، به دلیل اندوکتانس این ردیابی، ولتاژی را در همان ردیابی ایجاد می‌کند. و به دلیل وجود اندوکتانس متقابل، جریان متناسبی بر روی اثر دیگر ایجاد می شود. اگر تغییر ولتاژ در اولین ردیابی به اندازه کافی زیاد باشد، تداخل ممکن است تحمل ولتاژ مدار دیجیتال را کاهش دهد و باعث خطا شود. این پدیده تنها در مدارهای دیجیتال رخ نمی‌دهد، بلکه این پدیده در مدارهای دیجیتال به دلیل جریان‌های سوئیچینگ آنی زیاد در مدارهای دیجیتال، بیشتر دیده می‌شود.
　　
برای حذف نویز احتمالی از منابع تداخل الکترومغناطیسی، بهتر است خطوط آنالوگ "بی صدا" را از پورت های ورودی/خروجی پر سر و صدا جدا کنید. برای تلاش برای دستیابی به یک شبکه برق و زمین با امپدانس کم، اندوکتانس سیم های مدار دیجیتال باید به حداقل برسد و کوپلینگ خازنی مدارهای آنالوگ باید به حداقل برسد.
　　
03

نتیجه گیری

پس از تعیین محدوده دیجیتال و آنالوگ، مسیریابی دقیق برای PCB موفق ضروری است. استراتژی سیم کشی معمولاً به عنوان یک قانون کلی به همه معرفی می شود، زیرا آزمایش موفقیت نهایی محصول در یک محیط آزمایشگاهی دشوار است. بنابراین، با وجود شباهت‌های موجود در استراتژی‌های سیم‌کشی مدارهای دیجیتال و آنالوگ، باید تفاوت‌های استراتژی‌های سیم‌کشی آنها را شناخت و جدی گرفت.