Suunnittelualan digitaalisten suunnittelijoiden ja digitaalisten piirilevyjen suunnittelun asiantuntijoiden määrä kasvaa jatkuvasti, mikä kuvastaa alan kehitystä. Vaikka digitaalisen suunnittelun painottaminen on tuonut mukanaan suuria kehityskulkuja elektroniikkatuotteissa, se on edelleen olemassa, ja aina tulee olemaan joitain piirimalleja, jotka liittyvät analogisiin tai todellisiin ympäristöihin. Analogisten ja digitaalisten kenttien johdotusstrategioissa on joitain yhtäläisyyksiä, mutta kun halutaan saada parempia tuloksia niiden erilaisten johdotusstrategioiden vuoksi, yksinkertainen piirijohdotus ei ole enää optimaalinen ratkaisu.

Tässä artikkelissa käsitellään analogisten ja digitaalisten johtojen yhtäläisyyksiä ja eroja ohituskondensaattorien, virtalähteiden, maadoituksen, jännitevirheiden ja PCB-johdotuksen aiheuttamien sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suhteen.

Suunnittelualan digitaalisten suunnittelijoiden ja digitaalisten piirilevyjen suunnittelun asiantuntijoiden määrä kasvaa jatkuvasti, mikä kuvastaa alan kehitystä. Vaikka digitaalisen suunnittelun painottaminen on tuonut mukanaan suuria kehityskulkuja elektroniikkatuotteissa, se on edelleen olemassa, ja aina tulee olemaan joitain piirimalleja, jotka liittyvät analogisiin tai todellisiin ympäristöihin. Analogisten ja digitaalisten kenttien johdotusstrategioissa on joitain yhtäläisyyksiä, mutta kun halutaan saada parempia tuloksia niiden erilaisten johdotusstrategioiden vuoksi, yksinkertainen piirijohdotus ei ole enää optimaalinen ratkaisu.

Tässä artikkelissa käsitellään analogisten ja digitaalisten johtojen yhtäläisyyksiä ja eroja ohituskondensaattorien, virtalähteiden, maadoituksen, jännitevirheiden ja PCB-johdotuksen aiheuttamien sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suhteen.

Ohitus- tai irrotuskondensaattorien lisääminen piirilevylle ja näiden kondensaattorien sijainti levyllä ovat tervettä järkeä digitaalisissa ja analogisissa malleissa. Mutta mielenkiintoista kyllä, syyt ovat erilaisia.

Analogisessa johdotussuunnittelussa ohituskondensaattoreita käytetään yleensä ohittamaan korkeataajuisia signaaleja virtalähteestä. Jos ohituskondensaattoreita ei lisätä, nämä suurtaajuiset signaalit voivat päästä herkille analogisille siruille virtalähteen nastojen kautta. Yleisesti ottaen näiden suurtaajuisten signaalien taajuus ylittää analogisten laitteiden kyvyn vaimentaa suurtaajuisia signaaleja. Jos ohituskondensaattoria ei käytetä analogisessa piirissä, signaalitielle voi tulla kohinaa ja vakavammissa tapauksissa jopa tärinää.

Analogisessa ja digitaalisessa piirilevysuunnittelussa ohitus- tai erotuskondensaattorit (0,1uF) tulee sijoittaa mahdollisimman lähelle laitetta. Virtalähteen erotuskondensaattori (10uF) tulee sijoittaa piirilevyn virtajohdon sisääntuloon. Kaikissa tapauksissa näiden kondensaattorien nastojen tulee olla lyhyitä.

Kuvan 2 piirilevyllä virta- ja maajohtojen reitittämiseen käytetään eri reittejä. Tämän virheellisen yhteistyön vuoksi piirilevyn elektroniset komponentit ja piirit altistuvat todennäköisemmin sähkömagneettisille häiriöille.

Kuvan 3 yksittäisessä paneelissa virta- ja maadoitusjohtimet piirilevyn komponentteihin ovat lähellä toisiaan. Virtajohdon ja maadoitusjohdon yhteensopivuussuhde tässä piirilevyssä on sopiva kuvan 2 mukaisesti. Todennäköisyys, että piirilevyn elektroniset komponentit ja piirit altistuvat sähkömagneettisille häiriöille (EMI) pienenee 679/12,8 kertaa tai noin 54 kertaa.
　　
Digitaalisille laitteille, kuten ohjaimille ja prosessoreille, tarvitaan myös erotuskondensaattoreita, mutta eri syistä. Yksi näiden kondensaattorien tehtävistä on toimia "pieninä" varauspankkina.

Digitaalisissa piireissä tarvitaan yleensä suuri määrä virtaa hilatilan vaihtamiseen. Koska sirulle syntyy kytkentätransienttivirtoja kytkennän aikana ja ne virtaavat piirilevyn läpi, on edullista saada ylimääräisiä "varavarauksia". Jos lataus ei riitä kytkentätoimintoa suoritettaessa, virtalähteen jännite muuttuu suuresti. Liian suuri jännitteen muutos aiheuttaa digitaalisen signaalin tason siirtymisen epävarmaan tilaan ja voi saada digitaalisen laitteen tilakoneen toimimaan väärin.

Piirilevyjäljen läpi kulkeva kytkentävirta saa jännitteen muuttumaan, ja piirilevyjäljessä on loisinduktanssi. Jännitteen muutoksen laskemiseen voidaan käyttää seuraavaa kaavaa: V = LdI/dt. Niistä: V = jännitteen muutos, L = piirilevyn jäljitysinduktanssi, dI = virran muutos jäljen läpi, dt = virran muutosaika.
　　
Siksi monista syistä on parempi käyttää ohitus- (tai irrotus) kondensaattoreita virtalähteessä tai aktiivisten laitteiden virtalähteen nastoissa.

Virtajohto ja maadoitusjohto tulee reitittää yhdessä

Virtajohdon ja maadoitusjohdon asento on sovitettu hyvin yhteen sähkömagneettisten häiriöiden mahdollisuuden vähentämiseksi. Jos sähköjohtoa ja maajohtoa ei soviteta kunnolla, järjestelmäsilmukka suunnitellaan ja siitä tulee todennäköisesti melua.

Esimerkki piirilevysuunnittelusta, jossa voimajohto ja maajohto eivät ole oikein sovitettu yhteen, on esitetty kuvassa 2. Tällä piirilevyllä suunniteltu silmukan pinta-ala on 697 cm². Käyttämällä kuviossa 3 esitettyä menetelmää voidaan suuresti vähentää sitä mahdollisuutta, että piirilevylle tai sen ulkopuolelle säteilevä kohina aiheuttaa jännitteen silmukassa.

Ero analogisten ja digitaalisten johdotusstrategioiden välillä

▍Maataso on ongelma

Piirilevyn johdotuksen perustiedot soveltuvat sekä analogisiin että digitaalisiin piireihin. Nyrkkisääntönä on käyttää keskeytymätöntä maatasoa. Tämä terve järki vähentää dI/dt (virran muutos ajan myötä) vaikutusta digitaalisissa piireissä, mikä muuttaa maapotentiaalia ja aiheuttaa kohinaa analogisiin piireihin.

Digitaalisten ja analogisten piirien kytkentätekniikat ovat periaatteessa samat yhtä poikkeusta lukuun ottamatta. Analogisissa piireissä on huomioitava toinen seikka, eli pitää digitaaliset signaalilinjat ja silmukat maatasossa mahdollisimman kaukana analogisista piireistä. Tämä voidaan saavuttaa kytkemällä analoginen maataso järjestelmän maadoitusliitäntään erikseen tai sijoittamalla analoginen piiri piirilevyn etäpäähän, joka on linjan pää. Tämä tehdään, jotta ulkoiset häiriöt signaalitiellä pysyisivät mahdollisimman pieninä.

Tätä ei tarvitse tehdä digitaalisille piireille, jotka sietävät paljon kohinaa maatasolla ilman ongelmia.

Kuva 4 (vasemmalla) eristää digitaalisen kytkentätoiminnon analogisesta piiristä ja erottaa piirin digitaaliset ja analogiset osat. (Oikealla) Korkean taajuuden ja matalan taajuuden tulee olla mahdollisimman erillään toisistaan, ja korkeataajuisten komponenttien tulee olla lähellä piirilevyn liittimiä.

Kuva 5 Aseta piirilevylle kaksi läheistä jälkeä, on helppo muodostaa loiskapasitanssi. Tämäntyyppisen kapasitanssin olemassaolon vuoksi nopea jännitteen muutos yhdellä juovalla voi muodostaa virtasignaalin toiselle juovalle.

Kuva 6 Jos et kiinnitä huomiota juovien sijoitteluun, piirilevyn jäljet ​​voivat tuottaa linjainduktanssia ja keskinäistä induktanssia. Tämä loisinduktanssi on erittäin haitallinen piirien toiminnalle, mukaan lukien digitaaliset kytkentäpiirit.

▍ Komponenttien sijainti

Kuten edellä mainittiin, jokaisessa piirilevysuunnittelussa piirin kohinaosa ja "hiljainen" osa (meluton osa) tulisi erottaa toisistaan. Yleisesti ottaen digitaaliset piirit ovat "rikkaita" kohinaa eivätkä ole herkkiä melulle (koska digitaalisilla piireillä on suurempi jännitekohinatoleranssi); päinvastoin, analogisten piirien jännitteen kohinan sietokyky on paljon pienempi.

Näistä kahdesta analogiset piirit ovat herkimpiä kytkentäkohinalle. Sekasignaalijärjestelmän johdotuksessa nämä kaksi piiriä on erotettava toisistaan ​​kuvan 4 mukaisesti.
　　
▍ Piirilevysuunnittelun tuottamat loiskomponentit

Piirilevysuunnittelussa muodostuu helposti kaksi perusparasiittista elementtiä, jotka voivat aiheuttaa ongelmia: loiskapasitanssi ja loisinduktanssi.

Piirilevyä suunniteltaessa kahden raidan sijoittaminen lähelle toisiaan tuottaa loiskapasitanssia. Voit tehdä tämän: Aseta kahdelle eri tasolle yksi viiva toisen jäljen päälle; tai aseta samalle kerrokselle yksi jälki toisen jäljen viereen kuvan 5 mukaisesti.
　　
Näissä kahdessa juovakonfiguraatiossa jännitteen muutokset ajan myötä (dV/dt) toisessa juovassa voivat aiheuttaa virtaa toisessa juovassa. Jos toinen jälki on korkea impedanssi, sähkökentän tuottama virta muunnetaan jännitteeksi.
　　
Nopeat jännitetransientit esiintyvät useimmiten analogisen signaalin suunnittelun digitaalisella puolella. Jos nopeiden jännitetransientien jäljet ​​ovat lähellä korkeaimpedanssisia analogisia jälkiä, tämä virhe vaikuttaa vakavasti analogisen piirin tarkkuuteen. Tässä ympäristössä analogisilla piireillä on kaksi haittaa: niiden kohinansietokyky on paljon pienempi kuin digitaalisten piirien; ja korkean impedanssin jäljet ​​ovat yleisempiä.
　　
Tätä ilmiötä voidaan vähentää käyttämällä jompaakumpaa seuraavista kahdesta tekniikasta. Yleisimmin käytetty tekniikka on muuttaa juovien välistä kokoa kapasitanssiyhtälön mukaan. Tehokkain koko muutettava on kahden jäljen välinen etäisyys. On huomattava, että muuttuja d on kapasitanssiyhtälön nimittäjässä. Kun d kasvaa, kapasitiivinen reaktanssi pienenee. Toinen muuttuja, jota voidaan muuttaa, on kahden jäljen pituus. Tässä tapauksessa pituus L pienenee, ja myös kapasitiivinen reaktanssi kahden juovan välillä pienenee.
　　
Toinen tekniikka on asettaa maadoitusjohto näiden kahden jäljen väliin. Maadoitusjohdon impedanssi on pieni, ja toisen tällaisen jäljen lisääminen heikentää häiriösähkökenttää, kuten kuvassa 5.
　　
Piirilevyn parasiittisen induktanssin periaate on samanlainen kuin loiskapasitanssin. On myös asetettava kaksi jälkeä. Aseta kahdelle eri kerrokselle yksi viiva toisen jäljen päälle; tai aseta samalle kerrokselle yksi jälki vierekkäin kuvan 6 mukaisesti.

Näissä kahdessa johdotuskokoonpanossa jäljen virran muutos (dI/dt) ajan myötä tämän jäljen induktanssin vuoksi synnyttää jännitteen samalle viivalle; ja johtuen keskinäisen induktanssin olemassaolosta, se on Suhteellinen virta muodostuu toiselle viivalle. Jos jännitteen muutos ensimmäisessä jäljessä on riittävän suuri, häiriöt voivat vähentää digitaalipiirin jännitetoleranssia ja aiheuttaa virheitä. Tämä ilmiö ei esiinny vain digitaalisissa piireissä, vaan tämä ilmiö on yleisempi digitaalisissa piireissä, koska digitaalipiireissä on suuria hetkellisiä kytkentävirtoja.
　　
Sähkömagneettisten häiriölähteiden mahdollisen kohinan poistamiseksi on parasta erottaa "hiljaiset" analogiset linjat kohinaisista I/O-porteista. Matalan impedanssin teho- ja maadoitusverkon saavuttamiseksi digitaalisten piirijohtojen induktanssi tulisi minimoida ja analogisten piirien kapasitiivinen kytkentä minimoida.
　　
03

Johtopäätös

Kun digitaaliset ja analogiset alueet on määritetty, huolellinen reititys on välttämätöntä onnistuneen piirilevyn kannalta. Johdotusstrategia esitellään yleensä kaikille nyrkkisääntönä, koska tuotteen lopullista menestystä on vaikea testata laboratorioympäristössä. Siksi digitaalisten ja analogisten piirien johdotusstrategioiden samankaltaisuuksista huolimatta niiden johdotusstrategioiden erot on tunnistettava ja otettava vakavasti.