Digitaalisten suunnittelijoiden ja digitaalisten piirilevyjen suunnittelun asiantuntijoiden lukumäärä kasvaa jatkuvasti, mikä heijastaa teollisuuden kehityssuuntausta. Vaikka digitaalisen suunnittelun painottaminen on aiheuttanut suurta kehitystä elektronisissa tuotteissa, sitä on edelleen olemassa, ja aina on joitain piirimalleja, jotka liittyvät analogisiin tai todellisiin ympäristöihin. Analogisten ja digitaalisten kenttien johdotusstrategioilla on joitain samankaltaisuuksia, mutta kun haluat saada parempia tuloksia, niiden erilaisten johdotusstrategioiden vuoksi yksinkertainen piirin johdotussuunnittelu ei ole enää optimaalinen ratkaisu.

Tässä artikkelissa käsitellään analogisen ja digitaalisen johdotuksen välisiä perustiedot ja erot ohituskondensaattorien, virtalähteiden, maapallon suunnittelun, jännitevirheiden ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suhteen.

Digitaalisten suunnittelijoiden ja digitaalisten piirilevyjen suunnittelun asiantuntijoiden lukumäärä kasvaa jatkuvasti, mikä heijastaa teollisuuden kehityssuuntausta. Vaikka digitaalisen suunnittelun painottaminen on aiheuttanut suurta kehitystä elektronisissa tuotteissa, sitä on edelleen olemassa, ja aina on joitain piirimalleja, jotka liittyvät analogisiin tai todellisiin ympäristöihin. Analogisten ja digitaalisten kenttien johdotusstrategioilla on joitain samankaltaisuuksia, mutta kun haluat saada parempia tuloksia, niiden erilaisten johdotusstrategioiden vuoksi yksinkertainen piirin johdotussuunnittelu ei ole enää optimaalinen ratkaisu.

Tässä artikkelissa käsitellään analogisen ja digitaalisen johdotuksen välisiä perustiedot ja erot ohituskondensaattorien, virtalähteiden, maapallon suunnittelun, jännitevirheiden ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suhteen.

Piirilevyn ohitus- tai katkaisukondensaattorien lisääminen ja näiden kondensaattorien sijainti levyllä ovat tervettä järkeä digitaalisille ja analogisille malleille. Mutta mielenkiintoista, syyt ovat erilaiset.

Analogisessa johdotussuunnittelussa ohituskondensaattoreita käytetään yleensä ohittamaan korkeataajuussignaalit virtalähteellä. Jos ohituskondensaattoreita ei lisätty, nämä korkeataajuiset signaalit voivat päästä herkille analogisille siruille virtalähdetappien läpi. Yleisesti ottaen näiden korkeataajuussignaalien taajuus ylittää analogisten laitteiden kyvyn tukahduttaa korkeataajuussignaalit. Jos ohituskondensaattoria ei käytetä analogisessa piirissä, kohina voidaan tuoda signaalireitille ja vakavammissa tapauksissa se voi jopa aiheuttaa tärinää.

Analogisessa ja digitaalisessa piirilevyn suunnittelussa ohitus- tai kondensaattorit (0,1uf) tulisi sijoittaa mahdollisimman lähelle laitetta. Virtalähteen purkamiskondensaattori (10UF) tulisi sijoittaa piirilevyn sähkölinjan sisäänkäynnille. Kaikissa tapauksissa näiden kondensaattorien nastat tulisi olla lyhyitä.

Kuvan 2 piirilevyllä käytetään erilaisia ​​reittejä virta- ja maajohtojen reitittämiseen. Tämän väärän yhteistyön vuoksi piirilevyn elektroniset komponentit ja piirit ovat todennäköisemmin sähkömagneettisten häiriöiden kohdalla.

Kuvan 3 yhdessä paneelissa piiripöydän komponenttien teho- ja maa- ja maadoitukset ovat lähellä toisiaan. Sähköjohdon ja maa -alueen pohjaviivan sovitussuhde on sopiva kuvassa 2 esitetyllä tavalla. Sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) elektronisten komponenttien ja piirejen todennäköisyys vähenee 679/12,8 kertaa tai noin 54 kertaa.
　　
Digitaalisille laitteille, kuten ohjaimille ja prosessoreille, vaaditaan myös kondensaattoreita, mutta eri syistä. Näiden kondensaattoreiden yksi tehtävä on toimia ”pienoismaksu” -pankina.

Digitaalisissa piireissä vaaditaan yleensä suuri määrä virtaa portin tilan kytkemisen suorittamiseen. Koska sirulle syntyy vaihtamista, joka luodaan sirulle kytkemisen ja virtauslevyn läpi, on edullista, että ylimääräiset ”vara” -maksut ovat. Jos kytkentätoimintoa ei ole tarpeeksi latausta, virtalähteen jännite muuttuu suuresti. Liian suuri jännitemuutos aiheuttaa digitaalisen signaalin tason syöttämisen epävarman tilan ja voi aiheuttaa digitaalisen laitteen tilakoneen toiminnan väärin.

Piirilevyn jäljityksen läpi virtaava kytkentävirta aiheuttaa jännitteen muutoksen, ja piirilevyn jäljityksellä on loinen induktanssi. Seuraavaa kaavaa voidaan käyttää jännitteen muutoksen laskemiseen: V = LDI/DT. Niiden joukossa: V = Jännitteen muutos, L = piirilevyn jäljityksen induktanssi, di = virranmuutos jäljityksen kautta, dt = virranmuutosaika.
　　
Siksi monista syistä on parempi soveltaa ohitus- (tai irrottamista) kondensaattoreita virtalähteen kohdalla tai aktiivisten laitteiden virtalähteisiin.

Virtajohto ja maadoitusjohto tulee ohjata yhteen

Sähköjohdon ja maadoitusjohdon sijainti on hyvin sovitettu sähkömagneettisten häiriöiden mahdollisuuden vähentämiseksi. Jos voimajohto ja pohjaviiva eivät ole oikein sovitettu, järjestelmän silmukka suunnitellaan ja melu todennäköisesti syntyy.

Esimerkki piirilevyn suunnittelusta, jossa voimajohto ja pohjaviiva eivät ole oikein sovitettuja, on esitetty kuvassa 2. Tässä piirilevyssä suunniteltu silmukkaalue on 697cm². Kuviossa 3 esitettyä menetelmää käyttämällä säteilyn kohinan mahdollisuus piirilevyn indusointijännitteellä silmukassa voidaan vähentää huomattavasti.

Ero analogisten ja digitaalisten johtostrategioiden välillä

▍Pohjataso on ongelma

Piirilevyn johdotuksen perustiedot ovat sovellettavissa sekä analogisiin että digitaalisiin piireihin. Nyrkkisääntö on käyttää keskeytymätöntä maatasoa. Tämä terveellinen järki vähentää di -di/dt: n (muutos ajan myötä ajan myötä) vaikutusta digitaalisissa piireissä, mikä muuttaa maapallon potentiaalia ja aiheuttaa kohinan siirtymään analogisia piirejä.

Digitaalisten ja analogisten piirien johdotustekniikat ovat pohjimmiltaan samat yhdellä poikkeuksella. Analogisissa piireissä on toinen huomautus, ts. Pidä digitaaliset signaalilinjat ja silmukot maantasossa niin kaukana analogisista piireistä kuin mahdollista. Tämä voidaan saavuttaa kytkemällä analoginen maataso järjestelmän maadoitusyhteyteen erikseen tai asettamalla analoginen piiri piirilevyn pääpäähän, joka on viivan pää. Tämä tehdään signaalipolun ulkoisten häiriöiden pitämiseksi minimiin.

Tätä ei tarvitse tehdä digitaalisissa piireissä, mikä voi sietää paljon melua maapitatasolla ilman ongelmia.

Kuvio 4 (vasen) eristää digitaalisen kytkentätoiminnan analogisesta piiristä ja erottaa piirin digitaaliset ja analogiset osat. (Oikea) korkeataajuus ja matala taajuus tulisi erottaa mahdollisimman paljon, ja korkeataajuuskomponenttien tulisi olla lähellä piirilevyn liittimiä.

Kuva 5 Asettelu Kaksi suljusta jäljellä piirilevylle, loisten kapasitanssi on helppo muodostaa. Tällaisen kapasitanssin olemassaolon vuoksi nopea jännitteen muutos yhdellä jäljellä voi tuottaa virran signaalin toiselle jälkille.

Kuva 6 Jos et kiinnitä huomiota jäljen sijoittamiseen, piirilevyn jäljet ​​voivat tuottaa viivainduktanssia ja keskinäistä induktanssia. Tämä loisten induktanssi on erittäin haitallinen piirien, mukaan lukien digitaalisten kytkentäpiirien, toiminnalle.

▍ Component Sijainti

Kuten edellä mainittiin, jokaisessa piirilevyn suunnittelussa piirin kohina-osa ja ”hiljainen” osa (ei-kohina-osa) olisi erotettava. Yleisesti ottaen digitaaliset piirit ovat ”rikkaita” melua ja ne ovat herkkiä melulle (koska digitaalisilla piireillä on suurempi jännitteen kohinan sietokyky); Päinvastoin, analogisten piirien jännitteen kohinan sietokyky on paljon pienempi.

Näistä kahdesta analogiset piirit ovat herkimmät kytkentäkohinalle. Sekoitetun signaalijärjestelmän johdotuksessa nämä kaksi piiriä on erotettava, kuten kuvassa 4 esitetään.
　　
PCB -suunnittelun luomat parasiittiset komponentit

Kaksi perus loistauselementtiä, jotka voivat aiheuttaa ongelmia, muodostetaan helposti piirilevyjen suunnittelussa: loisten kapasitanssi ja loisten induktanssi.

Piirilevyä suunnitellessasi kaksi jälkiä lähelle toisiaan tuottaa loiskapasitanssin. Voit tehdä tämän: Aseta kahdella eri kerroksella yksi jälki toisen jäljen päälle; tai samaan kerrokseen aseta yksi jälki toisen jäljen viereen, kuten kuvassa 5 esitetään.
　　
Näissä kahdessa jäljityskokoonpanossa yhden jäljen ajan myötä (DV/DT) muutokset ajan myötä (DV/DT) voivat aiheuttaa virtaa toisella jäljityksellä. Jos toinen jälki on korkea impedanssi, sähkökentän tuottama virta muunnetaan jännitteeksi.
　　
Nopeat jännitteen transientit esiintyvät useimmiten analogisen signaalin suunnittelun digitaalisella puolella. Jos jäljet, joilla on nopea jännite transientit, ovat lähellä korkean impedanssin analogisia jälkiä, tämä virhe vaikuttaa vakavasti analogisen piirin tarkkuuteen. Tässä ympäristössä analogisilla piireillä on kaksi haittaa: niiden meluvälitys on paljon alhaisempi kuin digitaalisten piirien; ja korkeat impedanssijäljet ​​ovat yleisempiä.
　　
Yhden seuraavien tekniikoiden käyttäminen voi vähentää tätä ilmiötä. Yleisimmin käytetty tekniikka on muuttaa jälkien välillä kapasitanssiyhtälön mukaan. Tehokkain muutettava koko on kahden jäljen välinen etäisyys. On huomattava, että muuttuja D on kapasitanssiyhtälön nimittäjä. Kun D kasvaa, kapasitiivinen reaktanssi vähenee. Toinen muuttuja, joka voidaan muuttaa, on kahden jäljen pituus. Tässä tapauksessa pituus L pienenee ja myös kahden jäljen välinen kapasitiivinen reaktanssi vähenee.
　　
Toinen tekniikka on asettaa maadoitusjohto näiden kahden jäljen väliin. Maanjohto on alhainen impedanssi, ja toisen tällaisen jäljen lisääminen heikentää häiriöiden sähkökenttää, kuten kuvassa 5 esitetään.
　　
Piirilevyn loisten induktanssin periaate on samanlainen kuin loiskapasitanssi. On myös asetettava kaksi jälkiä. Aseta kahdelle eri kerrokselle yksi jälki toisen jäljen päälle; tai aseta samaan kerrokseen yksi jälki vierekkäin, kuten kuvassa 6 esitetään.

Näissä kahdessa johdotuskonfiguraatiossa jäljityksen virranmuutos (DI/DT) tämän jäljen induktanssista johtuen syntyy jännitteen samassa jäljissä; Ja keskinäisen induktanssin olemassaolon vuoksi se syntyy suhteellista virtaa. Jos ensimmäisen jäljen jännitteenmuutos on riittävän suuri, häiriöt voivat vähentää digitaalisen piirin jännitestoleranssia ja aiheuttaa virheitä. Tätä ilmiötä ei tapahdu vain digitaalisissa piireissä, vaan tämä ilmiö on yleisempi digitaalisissa piireissä, koska digitaalisten piireissä on suuria hetkellisiä kytkentävirtoja.
　　
Sähkömagneettisten häiriöiden potentiaalisen kohinan poistamiseksi on parasta erottaa ”hiljaiset” analogiset viivat meluisista I/O -porteista. Matalan impedanssitehon ja maaverkon saavuttamiseksi tulisi minimoida digitaalisten piirilankojen induktanssi, ja analogisten piirien kapasitiivinen kytkentä on minimoitava.
　　
03

Johtopäätös

Kun digitaaliset ja analogiset alueet on määritetty, huolellinen reititys on välttämätöntä onnistuneelle piirilevylle. Johdotusstrategia otetaan yleensä käyttöön kaikille nyrkkisääntönä, koska tuotteen lopullista menestystä on vaikea testata laboratorioympäristössä. Siksi digitaalisten ja analogisten piirien kytkentästrategioiden yhtäläisyyksistä huolimatta niiden johtostrategioiden erot on tunnustettava ja otettava vakavasti.