Broj digitalnih dizajnera i stručnjaka za dizajn digitalnih sklopova u inženjerskom području stalno raste, što odražava trend razvoja industrije. Iako je naglasak na digitalnom dizajnu donio veliki napredak u elektroničkim proizvodima, on još uvijek postoji i uvijek će postojati neki dizajni sklopova koji se povezuju s analognim ili stvarnim okruženjima. Strategije ožičenja u analognom i digitalnom polju imaju neke sličnosti, ali kada želite dobiti bolje rezultate, zbog njihovih različitih strategija ožičenja, jednostavan dizajn ožičenja sklopa više nije optimalno rješenje.

Ovaj članak raspravlja o osnovnim sličnostima i razlikama između analognog i digitalnog ožičenja u smislu premosnih kondenzatora, izvora napajanja, dizajna uzemljenja, grešaka napona i elektromagnetskih smetnji (EMI) uzrokovanih ožičenjem PCB-a.

Broj digitalnih dizajnera i stručnjaka za dizajn digitalnih sklopova u inženjerskom području stalno raste, što odražava trend razvoja industrije. Iako je naglasak na digitalnom dizajnu donio veliki napredak u elektroničkim proizvodima, on još uvijek postoji i uvijek će postojati neki dizajni sklopova koji se povezuju s analognim ili stvarnim okruženjima. Strategije ožičenja u analognom i digitalnom polju imaju neke sličnosti, ali kada želite dobiti bolje rezultate, zbog njihovih različitih strategija ožičenja, jednostavan dizajn ožičenja sklopa više nije optimalno rješenje.

Ovaj članak raspravlja o osnovnim sličnostima i razlikama između analognog i digitalnog ožičenja u smislu premosnih kondenzatora, izvora napajanja, dizajna uzemljenja, grešaka napona i elektromagnetskih smetnji (EMI) uzrokovanih ožičenjem PCB-a.

Dodavanje kondenzatora za premosnicu ili odvajanje na pločicu i položaj ovih kondenzatora na pločici uobičajeni su za digitalne i analogne dizajne. Ali zanimljivo, razlozi su različiti.

U dizajnu analognog ožičenja, premosni kondenzatori se obično koriste za premošćivanje visokofrekventnih signala na napajanju. Ako se ne dodaju premosni kondenzatori, ti visokofrekventni signali mogu ući u osjetljive analogne čipove kroz pinove napajanja. Općenito govoreći, frekvencija ovih visokofrekventnih signala premašuje sposobnost analognih uređaja da potisnu visokofrekventne signale. Ako se premosni kondenzator ne koristi u analognom krugu, može doći do smetnji na putu signala, au ozbiljnijim slučajevima može čak uzrokovati vibracije.

U dizajnu analognih i digitalnih PCB-a, premosni ili odvajajući kondenzatori (0,1uF) trebaju biti smješteni što je moguće bliže uređaju. Kondenzator za odvajanje napajanja (10uF) treba postaviti na ulaz strujnog voda na tiskanoj ploči. U svim slučajevima pinovi ovih kondenzatora trebaju biti kratki.

Na sklopnoj ploči na slici 2 koriste se različite rute za usmjeravanje žica za napajanje i uzemljenje. Zbog ove nepravilne suradnje veća je vjerojatnost da će elektroničke komponente i sklopovi na tiskanoj ploči biti izloženi elektromagnetskim smetnjama.

U jednoj ploči na slici 3, žice za napajanje i uzemljenje za komponente na tiskanoj ploči su blizu jedna drugoj. Omjer podudaranja naponskog voda i uzemljenja u ovoj pločici je prikladan kao što je prikazano na slici 2. Vjerojatnost da elektroničke komponente i sklopovi na pločici budu izloženi elektromagnetskim smetnjama (EMI) smanjena je za 679/12,8 puta ili oko 54 puta.
　　
Za digitalne uređaje kao što su kontroleri i procesori, također su potrebni kondenzatori za odvajanje, ali iz drugih razloga. Jedna funkcija ovih kondenzatora je da djeluju kao "minijaturna" banka naboja.

U digitalnim sklopovima obično je potrebna velika količina struje da bi se izvršilo prebacivanje stanja vrata. Budući da se prijelazne struje sklopke generiraju na čipu tijekom sklopke i teku kroz tiskanu ploču, korisno je imati dodatna "rezervna" punjenja. Ako nema dovoljno napunjenosti tijekom izvođenja radnje prebacivanja, napon napajanja će se znatno promijeniti. Prevelika promjena napona uzrokovat će ulazak razine digitalnog signala u neizvjesno stanje i može uzrokovati neispravan rad automata stanja u digitalnom uređaju.

Preklopna struja koja teče kroz krug strujnog kruga uzrokovat će promjenu napona, a trag strujnog kruga ima parazitski induktivitet. Za izračunavanje promjene napona može se koristiti sljedeća formula: V = LdI/dt. Među njima: V = promjena napona, L = induktivitet strujne ploče, dI = promjena struje kroz traku, dt = vrijeme promjene struje.
　　
Stoga je iz mnogo razloga bolje primijeniti premosne (ili odvajajuće) kondenzatore na izvoru napajanja ili na pinovima napajanja aktivnih uređaja.

Kabel za napajanje i žica za uzemljenje trebaju biti postavljeni zajedno

Položaj kabela za napajanje i žice za uzemljenje dobro su usklađeni kako bi se smanjila mogućnost elektromagnetskih smetnji. Ako strujni vod i uzemljeni vod nisu pravilno usklađeni, bit će dizajnirana petlja sustava i vjerojatno će se stvarati smetnje.

Primjer dizajna tiskane pločice gdje vod napajanja i vod uzemljenja nisu ispravno usklađeni prikazan je na slici 2. Na ovoj pločici, projektirana površina petlje je 697 cm². Koristeći metodu prikazanu na slici 3, mogućnost emitirane buke na ili izvan sklopovske ploče koja inducira napon u petlji može se znatno smanjiti.

Razlika između analognih i digitalnih strategija ožičenja

▍Uzemljena ploča je problem

Osnovno znanje o ožičenju tiskanih ploča primjenjivo je i na analogne i na digitalne sklopove. Osnovno pravilo je koristiti neprekinutu uzemljenu ravninu. Ovaj zdrav razum smanjuje dI/dt (promjena struje s vremenom) efekt u digitalnim krugovima, koji mijenja potencijal uzemljenja i uzrokuje ulazak šuma u analogne krugove.

Tehnike ožičenja za digitalne i analogne sklopove u osnovi su iste, s jednom iznimkom. Za analogne sklopove postoji još jedna stvar koju treba obratiti pozornost, a to je da digitalne signalne linije i petlje u ravnini uzemljenja držite što dalje od analognih sklopova. To se može postići zasebnim spajanjem analognog uzemljenja na uzemljenje sustava ili postavljanjem analognog kruga na udaljeni kraj sklopovske ploče, što je kraj linije. Ovo je učinjeno kako bi se vanjske smetnje na putu signala svele na minimum.

Nema potrebe to činiti za digitalne sklopove, koji mogu tolerirati mnogo šuma na uzemljenoj ravni bez problema.

Slika 4 (lijevo) izolira digitalno prebacivanje od analognog kruga i razdvaja digitalne i analogne dijelove kruga. (Desno) Visoka i niska frekvencija trebaju biti odvojene što je više moguće, a visokofrekventne komponente trebaju biti blizu konektora na tiskanoj ploči.

Slika 5 Izgled dva bliska traga na PCB-u, lako je formirati parazitni kapacitet. Zbog postojanja ove vrste kapacitivnosti, brza promjena napona na jednom tragu može generirati strujni signal na drugom tragu.

Slika 6 Ako ne obratite pozornost na položaj tragova, tragovi u tiskanoj ploči mogu proizvesti induktivitet linije i međusobnu induktivnost. Ovaj parazitni induktivitet je vrlo štetan za rad krugova uključujući digitalne sklopke.

▍Položaj komponente

Kao što je gore spomenuto, u svakom dizajnu PCB-a, dio strujnog kruga koji stvara buku i "tihi" dio (dio bez buke) trebaju biti odvojeni. Općenito govoreći, digitalni sklopovi su "bogati" šumom i neosjetljivi su na šum (jer digitalni sklopovi imaju veću toleranciju na šum napona); naprotiv, tolerancija naponskog šuma analognih sklopova mnogo je manja.

Od ova dva, analogni sklopovi su najosjetljiviji na šum pri prebacivanju. U ožičenju sustava mješovitih signala, ova dva kruga trebaju biti odvojena, kao što je prikazano na slici 4.
　　
▍parazitske komponente generirane PCB dizajnom

Dva osnovna parazitna elementa koja mogu uzrokovati probleme lako se formiraju u PCB dizajnu: parazitni kapacitet i parazitni induktivitet.

Prilikom projektiranja tiskane pločice, postavljanje dvaju tragova blizu jedan drugoga stvorit će parazitski kapacitet. Možete učiniti ovo: Na dva različita sloja postavite jedan trag na drugi trag; ili na istom sloju postavite jedan trag pored drugog traga, kao što je prikazano na slici 5.
　　
U ove dvije konfiguracije traga, promjene napona tijekom vremena (dV/dt) na jednom tragu mogu uzrokovati struju na drugom tragu. Ako je drugi trag visoke impedancije, struja koju stvara električno polje pretvorit će se u napon.
　　
Brzi naponski prijelazi najčešće se javljaju na digitalnoj strani dizajna analognog signala. Ako su tragovi s brzim prijelazima napona blizu analognih tragova visoke impedancije, ova pogreška će ozbiljno utjecati na točnost analognog kruga. U ovom okruženju, analogni sklopovi imaju dva nedostatka: njihova tolerancija na šum je mnogo niža nego kod digitalnih sklopova; a češći su tragovi visoke impedancije.
　　
Korištenje jedne od sljedeće dvije tehnike može smanjiti ovaj fenomen. Najčešće korištena tehnika je promjena veličine između tragova prema jednadžbi kapacitivnosti. Najučinkovitija veličina za promjenu je udaljenost između dva traga. Treba napomenuti da je varijabla d u nazivniku kapacitivne jednadžbe. Kako d raste, kapacitivna reaktancija će se smanjivati. Druga varijabla koja se može promijeniti je duljina dva traga. U tom slučaju, duljina L se smanjuje, a kapacitivna reaktancija između dva traga također će se smanjiti.
　　
Druga tehnika je postavljanje žice za uzemljenje između ova dva traga. Žica za uzemljenje je niske impedancije, a dodavanjem još jednog ovakvog traga oslabit će interferencijsko električno polje, kao što je prikazano na slici 5.
　　
Princip parazitnog induktiviteta u pločici je sličan parazitnom kapacitetu. Također je postaviti dva traga. Na dva različita sloja postavite jedan trag na drugi trag; ili na istom sloju postavite jedan trag pored drugog, kao što je prikazano na slici 6.

U ove dvije konfiguracije ožičenja, promjena struje (dI/dt) traga s vremenom, zbog induktiviteta ovog traga, generirat će napon na istom tragu; a zbog postojanja međusobnog induktiviteta će se Na drugom tragu stvara proporcionalna struja. Ako je promjena napona na prvom tragu dovoljno velika, smetnje mogu smanjiti toleranciju napona digitalnog kruga i uzrokovati pogreške. Ovaj fenomen se ne događa samo u digitalnim sklopovima, već je češći u digitalnim krugovima zbog velikih trenutnih sklopnih struja u digitalnim krugovima.
　　
Kako biste eliminirali potencijalnu buku od izvora elektromagnetskih smetnji, najbolje je odvojiti "tihe" analogne linije od bučnih ulazno-izlaznih priključaka. Kako bi se pokušala postići mreža za napajanje i uzemljenje s niskom impedancijom, induktivnost žica digitalnog kruga treba svesti na najmanju moguću mjeru, a kapacitivnu spregu analognih krugova treba svesti na minimum.
　　
03

Zaključak

Nakon što se odrede digitalni i analogni rasponi, pažljivo usmjeravanje je bitno za uspješnu PCB. Strategija ožičenja obično se svima predstavlja kao pravilo jer je teško testirati konačan uspjeh proizvoda u laboratorijskom okruženju. Stoga, unatoč sličnostima u strategijama ožičenja digitalnih i analognih sklopova, razlike u njihovim strategijama ožičenja moraju se prepoznati i ozbiljno shvatiti.