در طراحی PCB ، چرا تفاوت بین مدار آنالوگ و مدار دیجیتال بسیار بزرگ است؟

تعداد طراحان دیجیتال و کارشناسان طراحی مدار دیجیتال در حوزه مهندسی به طور مداوم در حال افزایش است که این نشان دهنده روند توسعه صنعت است. اگرچه تأکید بر طراحی دیجیتالی باعث تحولات عمده در محصولات الکترونیکی شده است ، اما هنوز هم وجود دارد ، و همیشه برخی از طرح های مدار وجود خواهد داشت که با محیط های آنالوگ یا واقعی رابط می کنند. استراتژی های سیم کشی در زمینه های آنالوگ و دیجیتال برخی از شباهت ها را دارند ، اما وقتی می خواهید نتیجه بهتری کسب کنید ، به دلیل استراتژی های مختلف سیم کشی ، طراحی سیم کشی مدار ساده دیگر راه حل بهینه نیست.

در این مقاله به بررسی شباهت ها و تفاوت های اساسی بین سیم کشی آنالوگ و دیجیتال از نظر خازن های بای پس ، منبع تغذیه ، طراحی زمین ، خطاهای ولتاژ و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ناشی از سیم کشی PCB می پردازیم.

اضافه کردن خازن های بای پس یا جدا کردن در صفحه مدار و محل قرارگیری این خازن ها در صفحه ، عقل مشترکی برای طرح های دیجیتال و آنالوگ است. اما جالب اینجاست که دلایل متفاوت است.

در طراحی سیم کشی آنالوگ ، معمولاً از خازن های بای پس برای دور زدن سیگنال های با فرکانس بالا در منبع تغذیه استفاده می شود. اگر خازن های بای پس اضافه نشود ، این سیگنال های با فرکانس بالا ممکن است از طریق پین های منبع تغذیه ، تراشه های آنالوگ حساس را وارد کنند. به طور کلی ، فراوانی این سیگنال های با فرکانس بالا از توانایی دستگاه های آنالوگ برای سرکوب سیگنال های با فرکانس بالا فراتر می رود. اگر از خازن بای پس در مدار آنالوگ استفاده نشود ، ممکن است سر و صدا در مسیر سیگنال معرفی شود و در موارد جدی تر ، حتی ممکن است باعث لرزش شود.

در طراحی PCB آنالوگ و دیجیتال ، خازن های بای پس یا جداسازی (0.1Uf) باید تا حد امکان نزدیک به دستگاه قرار گیرد. خازن جداکننده منبع تغذیه (10UF) باید در ورودی خط برق برد مدار قرار گیرد. در همه موارد ، پین های این خازن ها باید کوتاه باشند.

در صفحه مدار در شکل 2 از مسیرهای مختلفی برای مسیریابی سیم های برق و زمین استفاده می شود. با توجه به این همکاری نادرست ، اجزای الکترونیکی و مدارهای موجود در صفحه مدار احتمالاً در معرض تداخل الکترومغناطیسی قرار دارند.

در صفحه تک شکل 3 ، سیم های برق و زمین به اجزای موجود در صفحه مدار نزدیک به یکدیگر هستند. نسبت تطبیق خط برق و خط زمین در این برد مدار مناسب است همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. احتمال اجزای الکترونیکی و مدارهای موجود در برد مدار که در معرض تداخل الکترومغناطیسی (EMI) قرار می گیرند ، 679/12.8 بار یا حدود 54 بار کاهش می یابد.
　　
برای دستگاه های دیجیتالی مانند کنترل کننده ها و پردازنده ها ، خازن های جداشده نیز لازم است ، اما به دلایل مختلف. یکی از کارکرد این خازن ها این است که به عنوان یک بانک شارژ "مینیاتوری" عمل کنید.

در مدارهای دیجیتال ، مقدار زیادی از جریان برای انجام تعویض حالت دروازه مورد نیاز است. از آنجا که سوئیچینگ جریانهای گذرا در هنگام تعویض و جریان از طریق مدار مدار روی تراشه تولید می شود ، داشتن بار اضافی "یدکی" مفید است. اگر هنگام انجام عمل سوئیچینگ بار کافی وجود نداشته باشد ، ولتاژ منبع تغذیه تا حد زیادی تغییر می کند. تغییر بیش از حد ولتاژ باعث می شود سطح سیگنال دیجیتال وارد یک حالت نامشخص شود و ممکن است باعث شود دستگاه حالت در دستگاه دیجیتال نادرست کار کند.

جریان سوئیچینگ که از طریق ردیابی صفحه مدار جریان می یابد باعث تغییر ولتاژ می شود و ردیابی هیئت مدیره دارای القاء انگلی است. از فرمول زیر می توان برای محاسبه تغییر ولتاژ استفاده کرد: V = LDI/DT. در میان آنها: V = تغییر ولتاژ ، L = القاء ردیابی برد مدار ، DI = تغییر جریان از طریق ردیابی ، DT = زمان تغییر فعلی.
　　
بنابراین ، به دلایل زیادی ، بهتر است از خازن های بای پس (یا جداشدن) در منبع تغذیه یا در پین های منبع تغذیه دستگاه های فعال استفاده کنید.

سیم برق و سیم زمین باید با هم هدایت شوند

موقعیت سیم برق و سیم زمین به خوبی مطابقت دارد 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 طرح PCB که در آن خط برق و خط زمین به درستی مطابقت ندارند در شکل 2 نشان داده شده است. در این صفحه مدار ، منطقه حلقه طراحی شده 697 سانتی متر مربع است. با استفاده از روشی که در شکل 3 نشان داده شده است ، می توان ولتاژ القا کننده ولتاژ مدار در حلقه را در حلقه یا خارج از بدن در حلقه کاهش داد.

تفاوت بین استراتژی های سیم کشی آنالوگ و دیجیتال

هواپیمای زمینی یک مشکل است

دانش اساسی در مورد سیم کشی مدار مدار برای مدارهای آنالوگ و دیجیتال کاربرد دارد. یک قانون اساسی استفاده از یک هواپیمای زمینی بدون وقفه است. این عقل سلیم اثر DI/DT (تغییر در جریان را با زمان) در مدارهای دیجیتال کاهش می دهد ، که پتانسیل زمین را تغییر می دهد و باعث می شود نویز وارد مدارهای آنالوگ شود.

تکنیک های سیم کشی برای مدارهای دیجیتال و آنالوگ اساساً یکسان هستند ، با یک استثنا. برای مدارهای آنالوگ ، نکته دیگری وجود دارد که باید به آن توجه داشته باشید ، یعنی خطوط سیگنال دیجیتال و حلقه ها را در صفحه زمین تا حد ممکن دور از مدارهای آنالوگ نگه دارید. این امر می تواند با اتصال هواپیمای زمین آنالوگ به اتصال زمین به طور جداگانه یا قرار دادن مدار آنالوگ در انتهای دور مدار ، که انتهای خط است ، حاصل شود. این کار برای حفظ تداخل خارجی در مسیر سیگنال به حداقل می رسد.

نیازی به انجام این کار برای مدارهای دیجیتال نیست ، که می تواند بدون مشکل ، سر و صدای زیادی را در هواپیمای زمین تحمل کند.

شکل 4 (سمت چپ) عملکرد سوئیچینگ دیجیتال را از مدار آنالوگ جدا می کند و قسمت های دیجیتالی و آنالوگ مدار را از هم جدا می کند. (سمت راست) فرکانس بالا و فرکانس پایین باید تا حد امکان از هم جدا شود و اجزای فرکانس بالا باید نزدیک به اتصالات صفحه مدار باشد.

شکل 5 طرح دو قسمت نزدیک روی PCB ، به راحتی می توان خازن انگلی را تشکیل داد. با توجه به وجود این نوع خازن ، تغییر سریع ولتاژ در یک ردیابی می تواند سیگنال فعلی را در ردیابی دیگر ایجاد کند.

شکل 6 اگر به قرار دادن آثار توجه نمی کنید ، آثار موجود در PCB ممکن است باعث القاء خط و القاء متقابل شود. این القاء انگلی برای عملکرد مدارها از جمله مدارهای سوئیچینگ دیجیتال بسیار مضر است.

مکان مؤلفه

همانطور که در بالا ذکر شد ، در هر طرح PCB ، قسمت سر و صدای مدار و قسمت "آرام" (قسمت غیر نویز) باید از هم جدا شوند. به طور کلی ، مدارهای دیجیتال از نظر سر و صدا "غنی" هستند و نسبت به سر و صدا بی حساس هستند (زیرا مدارهای دیجیتال تحمل نویز ولتاژ بیشتری دارند). در مقابل ، تحمل نویز ولتاژ مدارهای آنالوگ بسیار کوچکتر است.

از این دو ، مدارهای آنالوگ نسبت به نویز سوئیچینگ حساس ترین 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 parasitic تولید شده توسط PCB Design

دو عنصر انگلی اساسی که ممکن است باعث ایجاد مشکلاتی شوند ، به راحتی در طراحی PCB شکل می گیرند: خازن انگلی و القاء انگلی.

هنگام طراحی یک برد مدار ، قرار دادن دو قسمت در نزدیکی یکدیگر ، خازن انگلی ایجاد می کند. شما می توانید این کار را انجام دهید: در دو لایه مختلف ، یک ردیابی را در بالای ردیابی دیگر قرار دهید. یا در همان لایه ، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است ، یک اثری را در کنار ردیابی دیگر قرار دهید.
　　
در این دو تنظیمات ردیابی ، تغییر در ولتاژ با گذشت زمان (DV/DT) در یک ردیابی ممکن است باعث جریان دیگر شود. اگر اثری دیگر امپدانس بالا باشد ، جریان تولید شده توسط میدان الکتریکی به ولتاژ تبدیل می شود.
　　
گذرا ولتاژ سریع اغلب در سمت دیجیتال طراحی سیگنال آنالوگ رخ می دهد. اگر اثری از گذرگاه های ولتاژ سریع نزدیک به آثار آنالوگ با امپدانس بالا باشد ، این خطا به طور جدی بر صحت مدار آنالوگ تأثیر می گذارد. در این محیط ، مدارهای آنالوگ دارای دو مضرات هستند: تحمل نویز آنها بسیار پایین تر از مدارهای دیجیتال است. و آثار امپدانس بالا رایج تر است.
　　
استفاده از یکی از دو روش زیر می تواند این پدیده را کاهش دهد. متداول ترین تکنیک تغییر اندازه بین آثار با توجه به معادله خازن است. موثرترین اندازه برای تغییر فاصله بین دو اثر است. لازم به ذکر است که متغیر D در مخرج معادله خازن است. با افزایش D ، واکنش خازنی کاهش می یابد. متغیر دیگری که قابل تغییر است ، طول دو اثر است. در این حالت ، طول L کاهش می یابد و واکنش پذیری خازنی بین دو اثر نیز کاهش می یابد.
　　
تکنیک دیگر قرار دادن سیم زمینی بین این دو قسمت است. سیم زمین امپدانس کم است و اضافه کردن اثری دیگر مانند این ، میدان الکتریکی تداخل را تضعیف می کند ، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.
　　
اصل القاء انگلی در برد مدار مشابه با ظرفیت انگلی است. همچنین این است که دو قسمت را بیان کنیم. در دو لایه مختلف ، یک ردیابی را در بالای ردیابی دیگر قرار دهید. یا در همان لایه ، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است ، یک اثری را در کنار دیگری قرار دهید.

در این دو تنظیم سیم کشی ، تغییر فعلی (DI/DT) اثری با زمان ، به دلیل القاء این ردیابی ، ولتاژ را در همان ردیابی ایجاد می کند. و به دلیل وجود القاء متقابل ، جریان متناسب بر روی ردیابی دیگر ایجاد می شود. اگر تغییر ولتاژ در اولین ردیابی به اندازه کافی بزرگ باشد ، تداخل ممکن است تحمل ولتاژ مدار دیجیتال را کاهش داده و باعث خطا شود. این پدیده نه تنها در مدارهای دیجیتال رخ می دهد ، بلکه این پدیده به دلیل جریانهای بزرگ سوئیچینگ فوری در مدارهای دیجیتال در مدارهای دیجیتال شایع تر است.
　　
برای از بین بردن نویز احتمالی از منابع تداخل الکترومغناطیسی ، بهتر است خطوط آنالوگ "آرام" را از درگاه های I/O پر سر و صدا جدا کنید. برای تلاش برای دستیابی به یک شبکه قدرت و سطح زمین کم ، القاء سیمهای مدار دیجیتال باید به حداقل برسد و اتصال خازنی مدارهای آنالوگ باید به حداقل برسد.
　　
03

پایان

پس از تعیین دامنه های دیجیتال و آنالوگ ، مسیریابی دقیق برای PCB موفق ضروری است. استراتژی سیم کشی معمولاً به عنوان یک قانون شست به همه معرفی می شود ، زیرا آزمایش موفقیت نهایی محصول در یک محیط آزمایشگاهی دشوار است. بنابراین ، با وجود شباهت های موجود در استراتژی های سیم کشی مدارهای دیجیتال و آنالوگ ، تفاوت در استراتژی های سیم کشی آنها باید به رسمیت شناخته و جدی گرفته شود.