O número de deseñadores dixitais e expertos en deseño de placas de circuítos dixitais no campo da enxeñaría está en constante aumento, o que reflicte a tendencia de desenvolvemento da industria. Aínda que a énfase no deseño dixital provocou importantes desenvolvementos nos produtos electrónicos, aínda existe, e sempre haberá algúns deseños de circuítos que interactúen con ambientes analóxicos ou reais. As estratexias de cableado nos campos analóxico e dixital teñen algunhas semellanzas, pero cando se quere obter mellores resultados, debido ás súas diferentes estratexias de cableado, o deseño sinxelo de cableado de circuítos xa non é a solución óptima.

Este artigo analiza as semellanzas e diferenzas básicas entre o cableado analóxico e dixital en termos de capacitores de derivación, fontes de alimentación, deseño de terra, erros de tensión e interferencia electromagnética (EMI) causada polo cableado da PCB.

O número de deseñadores dixitais e expertos en deseño de placas de circuítos dixitais no campo da enxeñaría está en constante aumento, o que reflicte a tendencia de desenvolvemento da industria. Aínda que a énfase no deseño dixital provocou importantes desenvolvementos nos produtos electrónicos, aínda existe, e sempre haberá algúns deseños de circuítos que interactúen con ambientes analóxicos ou reais. As estratexias de cableado nos campos analóxico e dixital teñen algunhas semellanzas, pero cando se quere obter mellores resultados, debido ás súas diferentes estratexias de cableado, o deseño sinxelo de cableado de circuítos xa non é a solución óptima.

Este artigo analiza as semellanzas e diferenzas básicas entre o cableado analóxico e dixital en termos de capacitores de derivación, fontes de alimentación, deseño de terra, erros de tensión e interferencia electromagnética (EMI) causada polo cableado da PCB.

Engadir capacitores de derivación ou desacoplamento na placa de circuíto e a localización destes capacitores na tarxeta son de sentido común para os deseños dixitais e analóxicos. Pero curiosamente, as razóns son diferentes.

No deseño de cableado analóxico, os capacitores de derivación adoitan usarse para evitar sinais de alta frecuencia na fonte de alimentación. Se non se engaden condensadores de derivación, estes sinais de alta frecuencia poden entrar en chips analóxicos sensibles a través dos pinos da fonte de alimentación. En xeral, a frecuencia destes sinais de alta frecuencia supera a capacidade dos dispositivos analóxicos para suprimir sinais de alta frecuencia. Se o condensador de derivación non se usa no circuíto analóxico, pódese introducir ruído no camiño do sinal e, en casos máis graves, pode incluso provocar vibracións.

No deseño de PCB analóxico e dixital, os capacitores de derivación ou de desacoplamento (0,1 uF) deben colocarse o máis preto posible do dispositivo. O capacitor de desacoplamento da fonte de alimentación (10uF) debe colocarse na entrada da liña de alimentación da placa de circuíto. En todos os casos, os pinos destes capacitores deben ser curtos.

Na placa de circuíto da Figura 2, utilízanse diferentes rutas para dirixir os cables de alimentación e terra. Debido a esta cooperación inadecuada, os compoñentes electrónicos e os circuítos da placa de circuíto teñen máis probabilidades de estar suxeitos a interferencias electromagnéticas.

No panel único da Figura 3, os cables de alimentación e terra dos compoñentes da placa de circuíto están preto uns dos outros. A relación de correspondencia entre a liña de alimentación e a liña de terra nesta placa de circuíto é adecuada como se mostra na Figura 2. A probabilidade de que os compoñentes electrónicos e os circuítos da tarxeta de circuíto estean sometidos a interferencia electromagnética (EMI) redúcese 679/12,8 veces ou unhas 54 veces.
　　
Para dispositivos dixitais como controladores e procesadores, tamén se requiren capacitores de desacoplamento, pero por diferentes motivos. Unha función destes capacitores é actuar como un banco de carga "en miniatura".

Nos circuítos dixitais, adoita ser necesaria unha gran cantidade de corrente para realizar a conmutación do estado da porta. Dado que as correntes transitorias de conmutación son xeradas no chip durante a conmutación e o fluxo a través da placa de circuíto, é vantaxoso ter cargas "de reposto" adicionais. Se non hai carga suficiente ao realizar a acción de conmutación, a tensión da fonte de alimentación cambiará moito. Demasiado cambio de voltaxe fará que o nivel de sinal dixital entre nun estado incerto e pode provocar que a máquina de estado do dispositivo dixital funcione incorrectamente.

A corrente de conmutación que flúe pola traza da placa de circuíto fará que a tensión cambie e a traza da placa de circuíto ten inductancia parasitaria. Para calcular a variación de tensión pódese utilizar a seguinte fórmula: V = LdI/dt. Entre eles: V = cambio de tensión, L = inductancia de traza da placa de circuíto, dI = cambio de corrente a través da traza, dt = tempo de cambio de corrente.
　　
Polo tanto, por moitas razóns, é mellor aplicar capacitores de derivación (ou desacoplamento) na fonte de alimentación ou nos pinos da fonte de alimentación dos dispositivos activos.

O cable de alimentación e o cable de terra deben encamiñarse xuntos

A posición do cable de alimentación e do fío de terra están ben combinados para reducir a posibilidade de interferencias electromagnéticas. Se a liña eléctrica e a liña de terra non coinciden correctamente, deseñarase un bucle do sistema e é probable que se xere ruído.

Na figura 2 móstrase un exemplo dun deseño de PCB onde a liña eléctrica e a liña de terra non se combinan correctamente. Nesta placa de circuíto, a área de bucle deseñada é de 697 cm². Usando o método que se mostra na Figura 3, pódese reducir moito a posibilidade de que o ruído irradiado dentro ou fóra da placa de circuíto induza a tensión no bucle.

A diferenza entre as estratexias de cableado analóxico e dixital

▍O plano de terra é un problema

Os coñecementos básicos do cableado de placas de circuíto son aplicables tanto a circuítos analóxicos como dixitais. Unha regra básica é usar un plano de terra ininterrompido. Este sentido común reduce o efecto dI/dt (cambio de corrente co tempo) nos circuítos dixitais, que cambia o potencial de terra e fai que entre ruído nos circuítos analóxicos.

As técnicas de cableado para circuítos dixitais e analóxicos son basicamente as mesmas, cunha excepción. Para os circuítos analóxicos, hai outro punto a ter en conta, é dicir, manter as liñas e bucles de sinal dixital no plano de terra o máis lonxe posible dos circuítos analóxicos. Isto pódese conseguir conectando o plano de terra analóxico á conexión de terra do sistema por separado ou colocando o circuíto analóxico no extremo máis afastado da placa de circuíto, que é o final da liña. Isto faise para manter a interferencia externa no camiño do sinal ao mínimo.

Non é necesario facelo para os circuítos dixitais, que poden tolerar moito ruído no plano de terra sen problemas.

A figura 4 (esquerda) illa a acción de conmutación dixital do circuíto analóxico e separa as partes dixital e analóxica do circuíto. (Dereita) A alta frecuencia e a baixa frecuencia deben estar separadas o máximo posible e os compoñentes de alta frecuencia deben estar preto dos conectores da placa de circuíto.

Figura 5 Layout dous trazos próximos no PCB, é fácil formar capacidade parasitaria. Debido á existencia deste tipo de capacitancia, un cambio rápido de voltaxe nunha traza pode xerar un sinal de corrente na outra traza.

Figura 6 Se non presta atención á colocación das trazas, as trazas no PCB poden producir inductancia de liña e inductancia mutua. Esta inductancia parasitaria é moi prexudicial para o funcionamento dos circuítos, incluídos os circuítos de conmutación dixitais.

▍Localización dos compoñentes

Como se mencionou anteriormente, en cada deseño de PCB, a parte de ruído do circuíto e a parte "silenciosa" (parte sen ruído) deben estar separadas. En xeral, os circuítos dixitais son "ricos" en ruído e son insensibles ao ruído (porque os circuítos dixitais teñen unha maior tolerancia ao ruído de voltaxe); pola contra, a tolerancia ao ruído de tensión dos circuítos analóxicos é moito menor.

Dos dous, os circuítos analóxicos son os máis sensibles ao ruído de conmutación. No cableado dun sistema de sinal mixto, estes dous circuítos deben estar separados, como se mostra na Figura 4.
　　
▍Compoñentes parasitarios xerados polo deseño de PCB

No deseño de PCB fórmanse facilmente dous elementos parasitarios básicos que poden causar problemas: a capacitancia parasitaria e a inductancia parasitaria.

Ao deseñar unha placa de circuíto, colocar dous trazos preto un do outro xerará unha capacidade parasitaria. Podes facelo: En dúas capas diferentes, coloca un trazo encima do outro trazo; ou na mesma capa, coloque un trazo xunto ao outro, como se mostra na Figura 5.
　　
Nestas dúas configuracións de trazo, os cambios na tensión ao longo do tempo (dV/dt) nunha traza poden causar corrente na outra traza. Se a outra traza é de alta impedancia, a corrente xerada polo campo eléctrico converterase en tensión.
　　
Os transitorios de voltaxe rápidos ocorren con máis frecuencia no lado dixital do deseño do sinal analóxico. Se as trazas con transitorios de voltaxe rápidos están próximas ás trazas analóxicas de alta impedancia, este erro afectará seriamente a precisión do circuíto analóxico. Neste entorno, os circuítos analóxicos presentan dúas desvantaxes: a súa tolerancia ao ruído é moito menor que a dos circuítos dixitais; e os trazos de alta impedancia son máis comúns.
　　
Usando unha das dúas técnicas seguintes pode reducir este fenómeno. A técnica máis utilizada é cambiar o tamaño entre trazos segundo a ecuación de capacitancia. O tamaño máis efectivo para cambiar é a distancia entre as dúas trazas. Nótese que a variable d está no denominador da ecuación de capacitancia. A medida que aumenta d, a reactancia capacitiva diminúe. Outra variable que se pode cambiar é a lonxitude dos dous trazos. Neste caso, a lonxitude L diminúe e tamén diminuirá a reactancia capacitiva entre as dúas trazas.
　　
Outra técnica é colocar un cable de terra entre estas dúas trazas. O fío de terra ten unha impedancia baixa e engadir outro trazo como este debilitará o campo eléctrico de interferencia, como se mostra na Figura 5.
　　
O principio da inductancia parasitaria na placa de circuíto é semellante ao da capacidade parasitaria. Tamén é poñer dous trazos. En dúas capas diferentes, coloque un trazo encima do outro trazo; ou na mesma capa, coloque un trazo xunto ao outro, como se mostra na Figura 6.

Nestas dúas configuracións de cableado, o cambio de corrente (dI/dt) dunha traza co tempo, debido á inductancia desta traza, xerará tensión na mesma traza; e debido á existencia de inductancia mutua, xérase unha corrente proporcional na outra traza. Se o cambio de tensión no primeiro trazo é o suficientemente grande, a interferencia pode reducir a tolerancia de tensión do circuíto dixital e provocar erros. Este fenómeno non só ocorre nos circuítos dixitais, senón que este fenómeno é máis común nos circuítos dixitais debido ás grandes correntes de conmutación instantáneas nos circuítos dixitais.
　　
Para eliminar o ruído potencial das fontes de interferencia electromagnética, é mellor separar as liñas analóxicas "tranquilas" dos portos de E/S ruidosos. Para tentar conseguir unha rede de terra e potencia de baixa impedancia, a inductancia dos fíos dos circuítos dixitais debe minimizarse e o acoplamento capacitivo dos circuítos analóxicos.
　　
03

Conclusión

Despois de determinar os rangos dixital e analóxico, é esencial un enrutamento coidadoso para un PCB exitoso. A estratexia de cableado adoita presentarse a todos como regra xeral, porque é difícil probar o éxito final do produto nun ambiente de laboratorio. Polo tanto, a pesar das semellanzas nas estratexias de cableado dos circuítos dixitais e analóxicos, as diferenzas nas súas estratexias de cableado deben ser recoñecidas e tomadas en serio.