इंजीनियरिंग क्षेत्र में डिजिटल डिजाइनरों और डिजिटल सर्किट बोर्ड डिजाइन विशेषज्ञों की संख्या लगातार बढ़ रही है, जो उद्योग के विकास की प्रवृत्ति को दर्शाता है। यद्यपि डिजिटल डिज़ाइन पर जोर देने से इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में प्रमुख विकास हुआ है, यह अभी भी मौजूद है, और हमेशा कुछ सर्किट डिज़ाइन होंगे जो एनालॉग या वास्तविक वातावरण के साथ इंटरफेस करेंगे। एनालॉग और डिजिटल क्षेत्रों में वायरिंग रणनीतियों में कुछ समानताएं हैं, लेकिन जब आप बेहतर परिणाम प्राप्त करना चाहते हैं, तो उनकी अलग-अलग वायरिंग रणनीतियों के कारण, सरल सर्किट वायरिंग डिज़ाइन अब इष्टतम समाधान नहीं है।
यह आलेख पीसीबी वायरिंग के कारण होने वाले बाईपास कैपेसिटर, बिजली आपूर्ति, ग्राउंड डिज़ाइन, वोल्टेज त्रुटियों और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) के संदर्भ में एनालॉग और डिजिटल वायरिंग के बीच बुनियादी समानता और अंतर पर चर्चा करता है।
इंजीनियरिंग क्षेत्र में डिजिटल डिजाइनरों और डिजिटल सर्किट बोर्ड डिजाइन विशेषज्ञों की संख्या लगातार बढ़ रही है, जो उद्योग के विकास की प्रवृत्ति को दर्शाता है। यद्यपि डिजिटल डिज़ाइन पर जोर देने से इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में प्रमुख विकास हुआ है, यह अभी भी मौजूद है, और हमेशा कुछ सर्किट डिज़ाइन होंगे जो एनालॉग या वास्तविक वातावरण के साथ इंटरफेस करेंगे। एनालॉग और डिजिटल क्षेत्रों में वायरिंग रणनीतियों में कुछ समानताएं हैं, लेकिन जब आप बेहतर परिणाम प्राप्त करना चाहते हैं, तो उनकी अलग-अलग वायरिंग रणनीतियों के कारण, सरल सर्किट वायरिंग डिज़ाइन अब इष्टतम समाधान नहीं है।
यह आलेख पीसीबी वायरिंग के कारण होने वाले बाईपास कैपेसिटर, बिजली आपूर्ति, ग्राउंड डिज़ाइन, वोल्टेज त्रुटियों और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) के संदर्भ में एनालॉग और डिजिटल वायरिंग के बीच बुनियादी समानता और अंतर पर चर्चा करता है।
सर्किट बोर्ड पर बायपास या डिकॉउलिंग कैपेसिटर जोड़ना और बोर्ड पर इन कैपेसिटर का स्थान डिजिटल और एनालॉग डिज़ाइन के लिए सामान्य ज्ञान है। लेकिन दिलचस्प बात यह है कि इसके कारण अलग-अलग हैं।
एनालॉग वायरिंग डिज़ाइन में, बाईपास कैपेसिटर का उपयोग आमतौर पर बिजली आपूर्ति पर उच्च-आवृत्ति संकेतों को बायपास करने के लिए किया जाता है। यदि बाईपास कैपेसिटर नहीं जोड़े जाते हैं, तो ये उच्च-आवृत्ति सिग्नल बिजली आपूर्ति पिन के माध्यम से संवेदनशील एनालॉग चिप्स में प्रवेश कर सकते हैं। सामान्यतया, इन उच्च-आवृत्ति संकेतों की आवृत्ति उच्च-आवृत्ति संकेतों को दबाने के लिए एनालॉग उपकरणों की क्षमता से अधिक है। यदि एनालॉग सर्किट में बाईपास कैपेसिटर का उपयोग नहीं किया जाता है, तो सिग्नल पथ में शोर उत्पन्न हो सकता है, और अधिक गंभीर मामलों में, यह कंपन भी पैदा कर सकता है।
एनालॉग और डिजिटल पीसीबी डिज़ाइन में, बायपास या डीकपलिंग कैपेसिटर (0.1uF) को यथासंभव डिवाइस के करीब रखा जाना चाहिए। विद्युत आपूर्ति डिकॉउलिंग कैपेसिटर (10uF) को सर्किट बोर्ड के विद्युत लाइन प्रवेश द्वार पर रखा जाना चाहिए। सभी मामलों में, इन कैपेसिटर के पिन छोटे होने चाहिए।
चित्र 2 में सर्किट बोर्ड पर, बिजली और जमीन के तारों को रूट करने के लिए विभिन्न मार्गों का उपयोग किया जाता है। इस अनुचित सहयोग के कारण, सर्किट बोर्ड पर इलेक्ट्रॉनिक घटकों और सर्किटों के विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के अधीन होने की अधिक संभावना है।
चित्र 3 के एकल पैनल में, सर्किट बोर्ड पर घटकों के लिए बिजली और ग्राउंड तार एक दूसरे के करीब हैं। इस सर्किट बोर्ड में पावर लाइन और ग्राउंड लाइन का मिलान अनुपात उपयुक्त है जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। सर्किट बोर्ड में इलेक्ट्रॉनिक घटकों और सर्किटों के विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) के अधीन होने की संभावना 679/12.8 गुना कम हो जाती है या लगभग 54 बार.
नियंत्रक और प्रोसेसर जैसे डिजिटल उपकरणों के लिए, डिकूपिंग कैपेसिटर की भी आवश्यकता होती है, लेकिन विभिन्न कारणों से। इन कैपेसिटर का एक कार्य "लघु" चार्ज बैंक के रूप में कार्य करना है।
डिजिटल सर्किट में, गेट स्टेट स्विचिंग करने के लिए आमतौर पर बड़ी मात्रा में करंट की आवश्यकता होती है। चूंकि स्विचिंग के दौरान चिप पर क्षणिक धाराएं उत्पन्न होती हैं और सर्किट बोर्ड के माध्यम से प्रवाहित होती हैं, इसलिए अतिरिक्त "अतिरिक्त" चार्ज रखना फायदेमंद होता है। यदि स्विचिंग क्रिया करते समय पर्याप्त चार्ज नहीं है, तो बिजली आपूर्ति वोल्टेज में काफी बदलाव आएगा। बहुत अधिक वोल्टेज परिवर्तन के कारण डिजिटल सिग्नल स्तर अनिश्चित स्थिति में प्रवेश कर जाएगा, और डिजिटल डिवाइस में राज्य मशीन गलत तरीके से संचालित हो सकती है।
सर्किट बोर्ड ट्रेस के माध्यम से बहने वाली स्विचिंग धारा के कारण वोल्टेज बदल जाएगा, और सर्किट बोर्ड ट्रेस में परजीवी अधिष्ठापन होता है। वोल्टेज परिवर्तन की गणना के लिए निम्नलिखित सूत्र का उपयोग किया जा सकता है: V = LdI/dt। उनमें से: वी = वोल्टेज परिवर्तन, एल = सर्किट बोर्ड ट्रेस इंडक्शन, डीआई = ट्रेस के माध्यम से वर्तमान परिवर्तन, डीटी = वर्तमान परिवर्तन समय।
इसलिए, कई कारणों से, बिजली आपूर्ति पर या सक्रिय उपकरणों की बिजली आपूर्ति पिन पर बायपास (या डिकॉउलिंग) कैपेसिटर लगाना बेहतर होता है।
पावर कॉर्ड और ग्राउंड वायर को एक साथ रूट किया जाना चाहिए
विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप की संभावना को कम करने के लिए पावर कॉर्ड और ग्राउंड वायर की स्थिति अच्छी तरह से मेल खाती है। यदि बिजली लाइन और ग्राउंड लाइन ठीक से मेल नहीं खाते हैं, तो एक सिस्टम लूप डिज़ाइन किया जाएगा और शोर उत्पन्न होने की संभावना होगी।
पीसीबी डिज़ाइन का एक उदाहरण जहां पावर लाइन और ग्राउंड लाइन ठीक से मेल नहीं खाते हैं, चित्र 2 में दिखाया गया है। इस सर्किट बोर्ड पर, डिज़ाइन किया गया लूप क्षेत्र 697 सेमी² है। चित्र 3 में दिखाई गई विधि का उपयोग करके, लूप में सर्किट बोर्ड उत्प्रेरण वोल्टेज पर या बंद विकिरणित शोर की संभावना को काफी कम किया जा सकता है।
एनालॉग और डिजिटल वायरिंग रणनीतियों के बीच अंतर
▍ग्राउंड प्लेन एक समस्या है
सर्किट बोर्ड वायरिंग का बुनियादी ज्ञान एनालॉग और डिजिटल सर्किट दोनों पर लागू होता है। अंगूठे का एक बुनियादी नियम निर्बाध ग्राउंड प्लेन का उपयोग करना है। यह सामान्य ज्ञान डिजिटल सर्किट में dI/dt (समय के साथ करंट में परिवर्तन) प्रभाव को कम कर देता है, जिससे जमीन की क्षमता बदल जाती है और शोर एनालॉग सर्किट में प्रवेश कर जाता है।
एक अपवाद को छोड़कर, डिजिटल और एनालॉग सर्किट के लिए वायरिंग तकनीक मूल रूप से समान हैं। एनालॉग सर्किट के लिए, ध्यान देने योग्य एक और बात है, वह यह है कि डिजिटल सिग्नल लाइनों और लूप को ग्राउंड प्लेन में एनालॉग सर्किट से जितना संभव हो उतना दूर रखें। इसे एनालॉग ग्राउंड प्लेन को सिस्टम ग्राउंड कनेक्शन से अलग से जोड़कर, या एनालॉग सर्किट को सर्किट बोर्ड के दूर के अंत में रखकर प्राप्त किया जा सकता है, जो लाइन का अंत है। ऐसा सिग्नल पथ पर बाहरी हस्तक्षेप को न्यूनतम रखने के लिए किया जाता है।
डिजिटल सर्किट के लिए ऐसा करने की कोई आवश्यकता नहीं है, जो बिना किसी समस्या के ग्राउंड प्लेन पर बहुत अधिक शोर सहन कर सकता है।
चित्र 4 (बाएं) डिजिटल स्विचिंग क्रिया को एनालॉग सर्किट से अलग करता है और सर्किट के डिजिटल और एनालॉग भागों को अलग करता है। (दाएं) उच्च आवृत्ति और कम आवृत्ति को यथासंभव अलग किया जाना चाहिए, और उच्च आवृत्ति घटकों को सर्किट बोर्ड कनेक्टर के करीब होना चाहिए।
चित्रा 5 पीसीबी पर दो करीबी निशान लेआउट, परजीवी कैपेसिटेंस बनाना आसान है। इस प्रकार की कैपेसिटेंस के अस्तित्व के कारण, एक ट्रेस पर तीव्र वोल्टेज परिवर्तन दूसरे ट्रेस पर एक वर्तमान संकेत उत्पन्न कर सकता है।
चित्र 6 यदि आप निशानों के स्थान पर ध्यान नहीं देते हैं, तो पीसीबी में निशान लाइन इंडक्शन और पारस्परिक इंडक्शन उत्पन्न कर सकते हैं। यह परजीवी अधिष्ठापन डिजिटल स्विचिंग सर्किट सहित सर्किट के संचालन के लिए बहुत हानिकारक है।
▍घटक स्थान
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, प्रत्येक पीसीबी डिज़ाइन में, सर्किट के शोर वाले हिस्से और "शांत" हिस्से (गैर-शोर वाले हिस्से) को अलग किया जाना चाहिए। सामान्यतया, डिजिटल सर्किट शोर में "समृद्ध" होते हैं और शोर के प्रति असंवेदनशील होते हैं (क्योंकि डिजिटल सर्किट में वोल्टेज शोर सहनशीलता अधिक होती है); इसके विपरीत, एनालॉग सर्किट की वोल्टेज शोर सहनशीलता बहुत कम है।
दोनों में से, एनालॉग सर्किट स्विचिंग शोर के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होते हैं। मिश्रित-सिग्नल प्रणाली की वायरिंग में, इन दोनों सर्किटों को अलग किया जाना चाहिए, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।
पीसीबी डिज़ाइन द्वारा उत्पन्न परजीवी घटक
दो बुनियादी परजीवी तत्व जो समस्याएँ पैदा कर सकते हैं, पीसीबी डिज़ाइन में आसानी से बन जाते हैं: परजीवी समाई और परजीवी अधिष्ठापन।
सर्किट बोर्ड को डिजाइन करते समय, दो निशानों को एक-दूसरे के करीब रखने से परजीवी समाई उत्पन्न होगी। आप यह कर सकते हैं: दो अलग-अलग परतों पर, एक ट्रेस को दूसरे ट्रेस के ऊपर रखें; या उसी परत पर, एक ट्रेस को दूसरे ट्रेस के बगल में रखें, जैसा चित्र 5 में दिखाया गया है।
इन दो ट्रेस कॉन्फ़िगरेशन में, एक ट्रेस पर समय के साथ वोल्टेज में परिवर्तन (डीवी/डीटी) दूसरे ट्रेस पर करंट का कारण बन सकता है। यदि अन्य ट्रेस उच्च प्रतिबाधा है, तो विद्युत क्षेत्र द्वारा उत्पन्न धारा वोल्टेज में परिवर्तित हो जाएगी।
तेज़ वोल्टेज ट्रांसिएंट अक्सर एनालॉग सिग्नल डिज़ाइन के डिजिटल पक्ष पर होते हैं। यदि तेज़ वोल्टेज ट्रांसिएंट वाले निशान उच्च-प्रतिबाधा एनालॉग निशान के करीब हैं, तो यह त्रुटि एनालॉग सर्किट की सटीकता को गंभीर रूप से प्रभावित करेगी। इस वातावरण में, एनालॉग सर्किट के दो नुकसान हैं: उनकी शोर सहनशीलता डिजिटल सर्किट की तुलना में बहुत कम है; और उच्च प्रतिबाधा निशान अधिक सामान्य हैं।
निम्नलिखित दो तकनीकों में से किसी एक का उपयोग करके इस घटना को कम किया जा सकता है। सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक कैपेसिटेंस समीकरण के अनुसार निशानों के बीच आकार बदलना है। बदलने के लिए सबसे प्रभावी आकार दो निशानों के बीच की दूरी है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि चर d समाई समीकरण के हर में है। जैसे-जैसे d बढ़ता है, कैपेसिटिव रिएक्शन कम हो जाएगा। एक अन्य चर जिसे बदला जा सकता है वह है दो निशानों की लंबाई। इस स्थिति में, लंबाई L कम हो जाती है, और दो ट्रेस के बीच कैपेसिटिव रिएक्शन भी कम हो जाएगा।
एक अन्य तकनीक इन दो निशानों के बीच एक ग्राउंड वायर बिछाना है। ग्राउंड वायर कम प्रतिबाधा है, और इस तरह का एक और ट्रेस जोड़ने से हस्तक्षेप विद्युत क्षेत्र कमजोर हो जाएगा, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है।
सर्किट बोर्ड में परजीवी अधिष्ठापन का सिद्धांत परजीवी समाई के समान है। इसमें दो निशान लगाना भी शामिल है। दो अलग-अलग परतों पर, एक ट्रेस को दूसरे ट्रेस के ऊपर रखें; या एक ही परत पर, एक निशान को दूसरे के बगल में रखें, जैसा चित्र 6 में दिखाया गया है।
इन दो वायरिंग कॉन्फ़िगरेशन में, समय के साथ ट्रेस का वर्तमान परिवर्तन (dI/dt), इस ट्रेस के प्रेरण के कारण, उसी ट्रेस पर वोल्टेज उत्पन्न करेगा; और पारस्परिक प्रेरण के अस्तित्व के कारण, यह दूसरे ट्रेस पर एक आनुपातिक धारा उत्पन्न होती है। यदि पहले ट्रेस पर वोल्टेज परिवर्तन काफी बड़ा है, तो हस्तक्षेप डिजिटल सर्किट की वोल्टेज सहनशीलता को कम कर सकता है और त्रुटियों का कारण बन सकता है। यह घटना न केवल डिजिटल सर्किट में होती है, बल्कि डिजिटल सर्किट में बड़ी तात्कालिक स्विचिंग धाराओं के कारण यह घटना डिजिटल सर्किट में अधिक आम है।
विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप स्रोतों से संभावित शोर को खत्म करने के लिए, "शांत" एनालॉग लाइनों को शोर वाले I/O पोर्ट से अलग करना सबसे अच्छा है। कम-प्रतिबाधा शक्ति और ग्राउंड नेटवर्क प्राप्त करने का प्रयास करने के लिए, डिजिटल सर्किट तारों के अधिष्ठापन को कम किया जाना चाहिए, और एनालॉग सर्किट के कैपेसिटिव युग्मन को कम से कम किया जाना चाहिए।
03
निष्कर्ष
डिजिटल और एनालॉग रेंज निर्धारित होने के बाद, एक सफल पीसीबी के लिए सावधानीपूर्वक रूटिंग आवश्यक है। वायरिंग रणनीति आमतौर पर सभी को एक सामान्य नियम के रूप में पेश की जाती है, क्योंकि प्रयोगशाला वातावरण में उत्पाद की अंतिम सफलता का परीक्षण करना मुश्किल होता है। इसलिए, डिजिटल और एनालॉग सर्किट की वायरिंग रणनीतियों में समानता के बावजूद, उनकी वायरिंग रणनीतियों में अंतर को पहचाना जाना चाहिए और गंभीरता से लिया जाना चाहिए।