PCB ડિઝાઇનમાં, એનાલોગ સર્કિટ અને ડિજિટલ સર્કિટ વચ્ચેનો તફાવત આટલો મોટો કેમ છે?

એન્જિનિયરિંગ ક્ષેત્રમાં ડિજિટલ ડિઝાઇનર્સ અને ડિજિટલ સર્કિટ બોર્ડ ડિઝાઇન નિષ્ણાતોની સંખ્યા સતત વધી રહી છે, જે ઉદ્યોગના વિકાસના વલણને પ્રતિબિંબિત કરે છે. ડિજિટલ ડિઝાઈન પરના ભારને કારણે ઈલેક્ટ્રોનિક ઉત્પાદનોમાં મોટા વિકાસ થયા હોવા છતાં, તે હજી પણ અસ્તિત્વમાં છે, અને ત્યાં હંમેશા કેટલીક સર્કિટ ડિઝાઈન હશે જે એનાલોગ અથવા વાસ્તવિક વાતાવરણ સાથે ઈન્ટરફેસ કરે છે. એનાલોગ અને ડિજિટલ ક્ષેત્રોમાં વાયરિંગ વ્યૂહરચનાઓ કેટલીક સમાનતાઓ ધરાવે છે, પરંતુ જ્યારે તમે વધુ સારા પરિણામો મેળવવા માંગતા હો, ત્યારે તેમની વિવિધ વાયરિંગ વ્યૂહરચનાઓને કારણે, સરળ સર્કિટ વાયરિંગ ડિઝાઇન હવે શ્રેષ્ઠ ઉકેલ નથી.

આ લેખ બાયપાસ કેપેસિટર્સ, પાવર સપ્લાય, ગ્રાઉન્ડ ડિઝાઇન, વોલ્ટેજ ભૂલો અને PCB વાયરિંગને કારણે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ટરફેન્સ (EMI) ના સંદર્ભમાં એનાલોગ અને ડિજિટલ વાયરિંગ વચ્ચેની મૂળભૂત સમાનતાઓ અને તફાવતોની ચર્ચા કરે છે.

સર્કિટ બોર્ડ પર બાયપાસ અથવા ડીકપલિંગ કેપેસિટર ઉમેરવા અને બોર્ડ પર આ કેપેસિટરનું સ્થાન ડિજિટલ અને એનાલોગ ડિઝાઇન માટે સામાન્ય સમજ છે. પરંતુ રસપ્રદ રીતે, કારણો અલગ છે.

એનાલોગ વાયરિંગ ડિઝાઇનમાં, બાયપાસ કેપેસિટરનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પાવર સપ્લાય પર ઉચ્ચ-આવર્તન સિગ્નલોને બાયપાસ કરવા માટે થાય છે. જો બાયપાસ કેપેસિટર્સ ઉમેરવામાં ન આવે, તો આ ઉચ્ચ-આવર્તન સંકેતો પાવર સપ્લાય પિન દ્વારા સંવેદનશીલ એનાલોગ ચિપ્સમાં પ્રવેશી શકે છે. સામાન્ય રીતે કહીએ તો, આ ઉચ્ચ-આવર્તન સિગ્નલોની આવર્તન ઉચ્ચ-આવર્તન સિગ્નલોને દબાવવા માટે એનાલોગ ઉપકરણોની ક્ષમતા કરતાં વધી જાય છે. જો એનાલોગ સર્કિટમાં બાયપાસ કેપેસિટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવતો નથી, તો સિગ્નલ પાથમાં અવાજ આવી શકે છે, અને વધુ ગંભીર કિસ્સાઓમાં, તે કંપનનું કારણ પણ બની શકે છે.

એનાલોગ અને ડિજિટલ PCB ડિઝાઇનમાં, બાયપાસ અથવા ડીકોપલિંગ કેપેસિટર્સ (0.1uF) ઉપકરણની શક્ય તેટલી નજીક મૂકવા જોઈએ. પાવર સપ્લાય ડીકોપલિંગ કેપેસિટર (10uF) સર્કિટ બોર્ડના પાવર લાઇનના પ્રવેશદ્વાર પર મૂકવો જોઈએ. બધા કિસ્સાઓમાં, આ કેપેસિટરના પિન ટૂંકા હોવા જોઈએ.

આકૃતિ 2 માં સર્કિટ બોર્ડ પર, પાવર અને ગ્રાઉન્ડ વાયરને રૂટ કરવા માટે વિવિધ માર્ગોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ અયોગ્ય સહકારને લીધે, સર્કિટ બોર્ડ પરના ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકો અને સર્કિટ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક હસ્તક્ષેપને આધિન થવાની શક્યતા વધુ છે.

આકૃતિ 3 ની સિંગલ પેનલમાં, સર્કિટ બોર્ડ પરના ઘટકોના પાવર અને ગ્રાઉન્ડ વાયર એકબીજાની નજીક છે. આ સર્કિટ બોર્ડમાં પાવર લાઇન અને ગ્રાઉન્ડ લાઇનનો મેળ ખાતો ગુણોત્તર આકૃતિ 2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે યોગ્ય છે. સર્કિટ બોર્ડમાં ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકો અને સર્કિટ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક હસ્તક્ષેપ (EMI) ને આધિન થવાની સંભાવના 679/12.8 ગણો અથવા લગભગ 54 વખત.
　　
કંટ્રોલર્સ અને પ્રોસેસર્સ જેવા ડિજિટલ ઉપકરણો માટે, ડીકોપલિંગ કેપેસિટર્સ પણ જરૂરી છે, પરંતુ વિવિધ કારણોસર. આ કેપેસિટરનું એક કાર્ય "લઘુચિત્ર" ચાર્જ બેંક તરીકે કાર્ય કરવાનું છે.

ડિજિટલ સર્કિટ્સમાં, સામાન્ય રીતે ગેટ સ્ટેટ સ્વિચિંગ કરવા માટે મોટા પ્રમાણમાં વર્તમાનની જરૂર પડે છે. સ્વિચિંગ દરમિયાન ક્ષણિક પ્રવાહો ચિપ પર ઉત્પન્ન થાય છે અને સર્કિટ બોર્ડમાંથી વહે છે, તેથી વધારાના "ફાજલ" શુલ્ક લેવાનું ફાયદાકારક છે. જો સ્વિચિંગ ક્રિયા કરતી વખતે પૂરતો ચાર્જ ન હોય તો, પાવર સપ્લાય વોલ્ટેજ મોટા પ્રમાણમાં બદલાશે. ખૂબ વધારે વોલ્ટેજ ફેરફાર ડિજિટલ સિગ્નલ સ્તરને અનિશ્ચિત સ્થિતિમાં પ્રવેશવા માટેનું કારણ બનશે, અને ડિજિટલ ઉપકરણમાં રાજ્ય મશીનને ખોટી રીતે ચલાવવાનું કારણ બની શકે છે.

સર્કિટ બોર્ડ ટ્રેસમાંથી વહેતો સ્વિચિંગ પ્રવાહ વોલ્ટેજમાં ફેરફારનું કારણ બનશે, અને સર્કિટ બોર્ડ ટ્રેસ પરોપજીવી ઇન્ડક્ટન્સ ધરાવે છે. વોલ્ટેજ ફેરફારની ગણતરી કરવા માટે નીચેના સૂત્રનો ઉપયોગ કરી શકાય છે: V = LdI/dt. તેમાંથી: V = વોલ્ટેજ ફેરફાર, L = સર્કિટ બોર્ડ ટ્રેસ ઇન્ડક્ટન્સ, dI = ટ્રેસ દ્વારા વર્તમાન ફેરફાર, dt = વર્તમાન ફેરફાર સમય.
　　
તેથી, ઘણા કારણોસર, પાવર સપ્લાય પર અથવા સક્રિય ઉપકરણોના પાવર સપ્લાય પિન પર બાયપાસ (અથવા ડીકોપ્લિંગ) કેપેસિટર લાગુ કરવું વધુ સારું છે.

પાવર કોર્ડ અને ગ્રાઉન્ડ વાયરને એકસાથે રૂટ કરવા જોઈએ

ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક હસ્તક્ષેપની શક્યતા ઘટાડવા માટે પાવર કોર્ડ અને ગ્રાઉન્ડ વાયરની સ્થિતિ સારી રીતે મેળ ખાય છે. જો પાવર લાઇન અને ગ્રાઉન્ડ લાઇન યોગ્ય રીતે મેળ ખાતી નથી, તો સિસ્ટમ લૂપ ડિઝાઇન કરવામાં આવશે અને અવાજ ઉત્પન્ન થવાની સંભાવના છે.

PCB ડિઝાઇનનું ઉદાહરણ જ્યાં પાવર લાઇન અને ગ્રાઉન્ડ લાઇન યોગ્ય રીતે મેળ ખાતી નથી તે આકૃતિ 2 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આ સર્કિટ બોર્ડ પર, ડિઝાઇન કરેલ લૂપ વિસ્તાર 697cm² છે. આકૃતિ 3 માં દર્શાવેલ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને, લૂપમાં વોલ્ટેજને પ્રેરિત કરતા સર્કિટ બોર્ડ પર અથવા તેની બહાર રેડિયેટેડ અવાજની શક્યતા ઘણી ઓછી કરી શકાય છે.

એનાલોગ અને ડિજિટલ વાયરિંગ વ્યૂહરચના વચ્ચેનો તફાવત

▍ ગ્રાઉન્ડ પ્લેન એક સમસ્યા છે

સર્કિટ બોર્ડ વાયરિંગનું મૂળભૂત જ્ઞાન એનાલોગ અને ડિજિટલ સર્કિટ બંનેને લાગુ પડે છે. અંગૂઠાનો મૂળભૂત નિયમ એ છે કે અવિરત ગ્રાઉન્ડ પ્લેનનો ઉપયોગ કરવો. આ સામાન્ય સમજ ડિજિટલ સર્કિટ્સમાં dI/dt (સમય સાથે વર્તમાનમાં ફેરફાર) અસર ઘટાડે છે, જે ગ્રાઉન્ડ સંભવિતમાં ફેરફાર કરે છે અને એનાલોગ સર્કિટમાં પ્રવેશવા માટે અવાજનું કારણ બને છે.

ડિજિટલ અને એનાલોગ સર્કિટ માટે વાયરિંગ તકનીકો મૂળભૂત રીતે સમાન છે, એક અપવાદ સાથે. એનાલોગ સર્કિટ્સ માટે, નોંધવા માટેનો બીજો મુદ્દો છે, તે એ છે કે, ગ્રાઉન્ડ પ્લેનમાં ડિજિટલ સિગ્નલ લાઇન અને લૂપ્સને એનાલોગ સર્કિટથી શક્ય તેટલું દૂર રાખો. આ એનાલોગ ગ્રાઉન્ડ પ્લેનને સિસ્ટમ ગ્રાઉન્ડ કનેક્શન સાથે અલગથી જોડીને અથવા એનાલોગ સર્કિટને સર્કિટ બોર્ડના છેડે, જે લાઇનનો છેડો છે, મૂકીને પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. આ સિગ્નલ પાથ પરના બાહ્ય દખલને ન્યૂનતમ રાખવા માટે કરવામાં આવે છે.

ડિજિટલ સર્કિટ માટે આ કરવાની જરૂર નથી, જે સમસ્યાઓ વિના જમીનના પ્લેન પર ઘણો અવાજ સહન કરી શકે છે.

આકૃતિ 4 (ડાબે) એનાલોગ સર્કિટમાંથી ડિજિટલ સ્વિચિંગ ક્રિયાને અલગ પાડે છે અને સર્કિટના ડિજિટલ અને એનાલોગ ભાગોને અલગ કરે છે. (જમણે) ઉચ્ચ આવર્તન અને ઓછી આવર્તનને શક્ય તેટલું અલગ કરવું જોઈએ, અને ઉચ્ચ આવર્તન ઘટકો સર્કિટ બોર્ડ કનેક્ટર્સની નજીક હોવા જોઈએ.

આકૃતિ 5 PCB પર બે નજીકના નિશાનનું લેઆઉટ, પરોપજીવી કેપેસીટન્સ બનાવવું સરળ છે. આ પ્રકારના કેપેસીટન્સના અસ્તિત્વને કારણે, એક ટ્રેસ પર ઝડપી વોલ્ટેજ ફેરફાર અન્ય ટ્રેસ પર વર્તમાન સંકેત પેદા કરી શકે છે.

આકૃતિ 6 જો તમે ટ્રેસની પ્લેસમેન્ટ પર ધ્યાન ન આપો, તો PCB માંના નિશાનો લાઇન ઇન્ડક્ટન્સ અને મ્યુચ્યુઅલ ઇન્ડક્ટન્સ પેદા કરી શકે છે. આ પરોપજીવી ઇન્ડક્ટન્સ ડિજિટલ સ્વિચિંગ સર્કિટ સહિત સર્કિટના સંચાલન માટે ખૂબ જ હાનિકારક છે.

▍ ઘટક સ્થાન

ઉપર સૂચવ્યા મુજબ, દરેક PCB ડિઝાઇનમાં, સર્કિટનો અવાજ ભાગ અને "શાંત" ભાગ (અવાજ સિવાયનો ભાગ) અલગ હોવા જોઈએ. સામાન્ય રીતે કહીએ તો, ડિજિટલ સર્કિટ ઘોંઘાટમાં "સમૃદ્ધ" છે અને અવાજ પ્રત્યે સંવેદનશીલ નથી (કારણ કે ડિજિટલ સર્કિટમાં મોટા વોલ્ટેજ અવાજ સહનશીલતા હોય છે); તેનાથી વિપરિત, એનાલોગ સર્કિટની વોલ્ટેજ અવાજ સહિષ્ણુતા ઘણી ઓછી છે.

બેમાંથી, એનાલોગ સર્કિટ્સ સ્વિચિંગ અવાજ માટે સૌથી વધુ સંવેદનશીલ છે. મિશ્ર-સિગ્નલ સિસ્ટમના વાયરિંગમાં, આ બે સર્કિટ અલગ હોવા જોઈએ, આકૃતિ 4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે.
　　
▍ પરોપજીવી ઘટકો PCB ડિઝાઇન દ્વારા પેદા થાય છે

બે મૂળભૂત પરોપજીવી તત્વો જે સમસ્યાઓનું કારણ બની શકે છે તે પીસીબી ડિઝાઇનમાં સરળતાથી રચાય છે: પરોપજીવી કેપેસીટન્સ અને પરોપજીવી ઇન્ડક્ટન્સ.

સર્કિટ બોર્ડ ડિઝાઇન કરતી વખતે, બે ટ્રેસ એકબીજાની નજીક રાખવાથી પરોપજીવી કેપેસિટીન્સ ઉત્પન્ન થશે. તમે આ કરી શકો છો: બે અલગ અલગ સ્તરો પર, અન્ય ટ્રેસની ટોચ પર એક ટ્રેસ મૂકો; અથવા સમાન સ્તર પર, આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બીજા ટ્રેસની બાજુમાં એક ટ્રેસ મૂકો.
　　
આ બે ટ્રેસ રૂપરેખાંકનોમાં, એક ટ્રેસ પર સમય જતાં વોલ્ટેજમાં ફેરફાર (dV/dt) અન્ય ટ્રેસ પર વર્તમાનનું કારણ બની શકે છે. જો અન્ય ટ્રેસ ઉચ્ચ અવબાધ હોય, તો વિદ્યુત ક્ષેત્ર દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ વર્તમાનને વોલ્ટેજમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવશે.
　　
ફાસ્ટ વોલ્ટેજ ટ્રાન્ઝિયન્ટ્સ મોટેભાગે એનાલોગ સિગ્નલ ડિઝાઇનની ડિજિટલ બાજુ પર થાય છે. જો ઝડપી વોલ્ટેજ ટ્રાંઝિયન્ટ્સ સાથેના નિશાન ઉચ્ચ-અવબાધ એનાલોગ ટ્રેસની નજીક હોય, તો આ ભૂલ એનાલોગ સર્કિટની ચોકસાઈને ગંભીરપણે અસર કરશે. આ વાતાવરણમાં, એનાલોગ સર્કિટના બે ગેરફાયદા છે: તેમની અવાજ સહિષ્ણુતા ડિજિટલ સર્કિટ કરતા ઘણી ઓછી છે; અને ઉચ્ચ અવબાધના નિશાન વધુ સામાન્ય છે.
　　
નીચેની બે તકનીકોમાંથી એકનો ઉપયોગ કરીને આ ઘટના ઘટાડી શકાય છે. સૌથી સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી તકનીક કેપેસીટન્સ સમીકરણ અનુસાર નિશાનો વચ્ચેના કદને બદલવાની છે. બદલવા માટેનું સૌથી અસરકારક માપ એ બે ટ્રેસ વચ્ચેનું અંતર છે. એ નોંધવું જોઈએ કે ચલ d એ કેપેસીટન્સ સમીકરણના છેદમાં છે. જેમ જેમ d વધે છે તેમ, કેપેસિટીવ પ્રતિક્રિયા ઘટશે. અન્ય ચલ જે બદલી શકાય છે તે બે ટ્રેસની લંબાઈ છે. આ કિસ્સામાં, લંબાઈ L ઘટશે, અને બે ટ્રેસ વચ્ચેની કેપેસિટીવ પ્રતિક્રિયા પણ ઘટશે.
　　
બીજી ટેકનિક એ છે કે આ બે નિશાનો વચ્ચે ગ્રાઉન્ડ વાયર નાખવો. ગ્રાઉન્ડ વાયર ઓછી અવબાધ છે, અને આના જેવું બીજું ટ્રેસ ઉમેરવાથી આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, હસ્તક્ષેપ ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રને નબળું પાડશે.
　　
સર્કિટ બોર્ડમાં પરોપજીવી ઇન્ડક્ટન્સનો સિદ્ધાંત પરોપજીવી કેપેસીટન્સ જેવો જ છે. તે પણ બે નિશાનો બહાર મૂકે છે. બે અલગ અલગ સ્તરો પર, અન્ય ટ્રેસની ટોચ પર એક ટ્રેસ મૂકો; અથવા સમાન સ્તર પર, આકૃતિ 6 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બીજાની બાજુમાં એક ટ્રેસ મૂકો.

આ બે વાયરિંગ રૂપરેખાંકનોમાં, સમય સાથે ટ્રેસનો વર્તમાન ફેરફાર (dI/dt), આ ટ્રેસના ઇન્ડક્ટન્સને કારણે, સમાન ટ્રેસ પર વોલ્ટેજ જનરેટ કરશે; અને મ્યુચ્યુઅલ ઇન્ડક્ટન્સના અસ્તિત્વને કારણે, તે કરશે અન્ય ટ્રેસ પર પ્રમાણસર પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે. જો પ્રથમ ટ્રેસ પર વોલ્ટેજ ફેરફાર પૂરતો મોટો હોય, તો હસ્તક્ષેપ ડિજિટલ સર્કિટની વોલ્ટેજ સહિષ્ણુતા ઘટાડી શકે છે અને ભૂલોનું કારણ બની શકે છે. આ ઘટના માત્ર ડિજિટલ સર્કિટમાં જ જોવા મળતી નથી, પરંતુ ડિજિટલ સર્કિટ્સમાં મોટા તત્કાલ સ્વિચિંગ કરંટને કારણે આ ઘટના ડિજિટલ સર્કિટ્સમાં વધુ સામાન્ય છે.
　　
ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક હસ્તક્ષેપ સ્ત્રોતોમાંથી સંભવિત અવાજને દૂર કરવા માટે, ઘોંઘાટીયા I/O પોર્ટ્સમાંથી "શાંત" એનાલોગ રેખાઓને અલગ કરવી શ્રેષ્ઠ છે. ઓછી-અવરોધ શક્તિ અને ગ્રાઉન્ડ નેટવર્ક હાંસલ કરવાનો પ્રયાસ કરવા માટે, ડિજિટલ સર્કિટ વાયરનું ઇન્ડક્ટન્સ ઓછું કરવું જોઈએ, અને એનાલોગ સર્કિટનું કેપેસિટીવ જોડાણ ઓછું કરવું જોઈએ.
　　
03

નિષ્કર્ષ

ડિજિટલ અને એનાલોગ રેન્જ નક્કી થયા પછી, સફળ PCB માટે સાવચેત રૂટીંગ આવશ્યક છે. વાયરિંગ વ્યૂહરચના સામાન્ય રીતે અંગૂઠાના નિયમ તરીકે દરેકને રજૂ કરવામાં આવે છે, કારણ કે પ્રયોગશાળા વાતાવરણમાં ઉત્પાદનની અંતિમ સફળતાનું પરીક્ષણ કરવું મુશ્કેલ છે. તેથી, ડિજિટલ અને એનાલોગ સર્કિટની વાયરિંગ વ્યૂહરચનાઓમાં સમાનતા હોવા છતાં, તેમની વાયરિંગ વ્યૂહરચનામાં તફાવતોને ઓળખવા અને ગંભીરતાથી લેવા જોઈએ.