Broj digitalnih dizajnera i stručnjaka za dizajn digitalnih krugova u inženjerskom polju neprestano se povećava, što odražava trend razvoja industrije. Iako je naglasak na digitalnom dizajnu doveo do velikog razvoja elektroničkih proizvoda, on i dalje postoji, a uvijek će postojati neki dizajni kruga koji se sučeljaju s analognim ili stvarnim okruženjima. Strategije ožičenja u analognim i digitalnim poljima imaju neke sličnosti, ali kada želite postići bolje rezultate, zbog njihovih različitih strategija ožičenja, jednostavni dizajn ožičenja kruga više nije optimalno rješenje.

Ovaj članak govori o osnovnim sličnostima i razlikama između analognog i digitalnog ožičenja u smislu zaobilaznih kondenzatora, napajanja, dizajna tla, pogrešaka napona i elektromagnetskih smetnji (EMI) uzrokovanih ožičenjem PCB -a.

Broj digitalnih dizajnera i stručnjaka za dizajn digitalnih krugova u inženjerskom polju neprestano se povećava, što odražava trend razvoja industrije. Iako je naglasak na digitalnom dizajnu doveo do velikog razvoja elektroničkih proizvoda, on i dalje postoji, a uvijek će postojati neki dizajni kruga koji se sučeljaju s analognim ili stvarnim okruženjima. Strategije ožičenja u analognim i digitalnim poljima imaju neke sličnosti, ali kada želite postići bolje rezultate, zbog njihovih različitih strategija ožičenja, jednostavni dizajn ožičenja kruga više nije optimalno rješenje.

Ovaj članak govori o osnovnim sličnostima i razlikama između analognog i digitalnog ožičenja u smislu zaobilaznih kondenzatora, napajanja, dizajna tla, pogrešaka napona i elektromagnetskih smetnji (EMI) uzrokovanih ožičenjem PCB -a.

Dodavanje zaobilaznih ili razdvajanja kondenzatora na ploči i mjesto ovih kondenzatora na ploči su zdravi razum za digitalne i analogne dizajne. Ali zanimljivo je da su razlozi različiti.

U analognom dizajnu ožičenja, zaobilazni kondenzatori obično se koriste za zaobilaženje visokofrekventnih signala na napajanju. Ako se ne dodaju zaobilazni kondenzatori, ovi visokofrekventni signali mogu unijeti osjetljive analogne čipove kroz igle za napajanje. Općenito govoreći, učestalost ovih visokofrekventnih signala premašuje sposobnost analognih uređaja da suzbijaju visokofrekventne signale. Ako se zaobilazni kondenzator ne koristi u analognom krugu, buka se može uvesti u signalni put, a u ozbiljnijim slučajevima može čak uzrokovati vibraciju.

U analognom i digitalnom dizajnu PCB -a, kondenzatori zaobilaženja ili razdvajanja (0,1UF) trebaju biti postavljeni što bliže uređaju. Kondenzator razdvajanja napajanja (10UF) trebao bi biti smješten na ulaz u ploču. U svim slučajevima, igle ovih kondenzatora trebaju biti kratke.

Na ploči na slici 2, različite rute koriste se za usmjeravanje žica napajanja i uzemljenja. Zbog ove nepravilne suradnje, elektroničke komponente i krugovi na ploči veće su vjerojatnije da će podlijegati elektromagnetskim smetnjima.

Na jednoj ploči na slici 3, žice napajanja i mljevenih komponenti na pločici su blizu jedna drugoj. Omjer podudaranja dalekovode i uzemljene linije u ovoj ploči prikladan je kao što je prikazano na slici 2. Vjerojatnost elektroničkih komponenti i krugova u pločici koja se podvrgava elektromagnetskim smetnjima (EMI) smanjuje se za 679/12,8 puta ili oko 54 puta.
　　
Za digitalne uređaje poput kontrolera i procesora potrebni su i kondenzatori razdvajanja, ali iz različitih razloga. Jedna funkcija ovih kondenzatora jest djelovati kao "minijaturna" banka naplate.

U digitalnim krugovima obično je potrebna velika količina struje za izmjenu stanja vrata. Budući da se prebacivanje prolaznih struja generira na čipu tijekom prebacivanja i protoka kroz ploču, korisno je imati dodatne "rezervne" troškove. Ako nema dovoljno punjenja pri izvođenju akcije prebacivanja, napon napajanja uvelike će se promijeniti. Previše promjene napona uzrokovat će da razina digitalnog signala uđe u neizvjesno stanje i može uzrokovati da državni stroj u digitalnom uređaju pogrešno radi.

Preklopna struja koja teče kroz trag kružne pločice uzrokovat će da se napon promijeni, a trag pločice ima parazitsku induktivnost. Sljedeća formula može se koristiti za izračunavanje promjene napona: v = ldi/dt. Među njima: v = promjena napona, l = induktivnost praćenja pločice, di = promjena struje kroz trag, dt = vrijeme promjene struje.
　　
Stoga je, iz više razloga, bolje primijeniti zaobilazni (ili razdvajanje) kondenzatora na napajanje ili na priključcima aktivnih uređaja.

Kabel napajanja i žica za uzemljenje trebaju biti zajedno zajedno

Položaj kabela za napajanje i uzemljene žice dobro se podudaraju kako bi se smanjila mogućnost elektromagnetskih smetnji. Ako se linijska snaga i prizemna linija nisu pravilno podudaraju, dizajnirat će se sistemska petlja i vjerojatno će se generirati buka.

Primjer PCB dizajna u kojem se linijska snaga i podzemna linija nisu pravilno podudaraju prikazani su na slici 2. na ovoj ploči, dizajnirana područja petlje je 697 cm². Koristeći metodu prikazanu na slici 3, mogućnost zračenog buke na ili isključenoj ploči koja inducira napon u petlji može se u velikoj mjeri smanjiti.

Razlika između analognih i digitalnih strategija ožičenja

▍ Grozni ravnina je problem

Osnovno znanje ožičenja pločice primjenjivo je i na analogne i na digitalne krugove. Osnovno pravilo je korištenje neprekidne ravnine tla. Ovaj zdrav razum smanjuje DI/DT (promjena struje s vremenom) učinak u digitalnim krugovima, što mijenja potencijal tla i uzrokuje da buka uđe u analogne krugove.

Tehnike ožičenja za digitalne i analogne krugove u osnovi su iste, s jednom iznimkom. Za analogne krugove postoji još jedna točka koju treba napomenuti, odnosno digitalne signalne linije i petlje u ravnini prizemlja što dalje od analognih krugova. To se može postići spajanjem analogne ravnine tla na priključak tla za odvojeno ili stavljanjem analognog kruga na drugom kraju pločice, što je kraj linije. To se radi kako bi se vanjske smetnje na putu signala sveli na minimum.

Nema potrebe za to za digitalne krugove, što bez problema može tolerirati puno buke na ravnini prizemlja.

Slika 4 (lijevo) izolira djelovanje digitalnog prebacivanja iz analognog kruga i razdvaja digitalne i analogne dijelove kruga. (Desno) Visoka frekvencija i niska frekvencija treba razdvojiti što je više moguće, a komponente visoke frekvencije trebale bi biti blizu priključaka pločice.

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

Slika 6 Ako ne obraćate pažnju na postavljanje tragova, tragovi PCB -a mogu proizvesti induktivnost linije i međusobnu induktivnost. Ova parazitska induktivnost vrlo je štetna za rad krugova, uključujući digitalne sklopke.

Lokacija komponenta

Kao što je gore spomenuto, u svakom PCB dizajnu, dio buke u krugu i "tihi" dio (ne-šut dio) treba odvojiti. Općenito govoreći, digitalni krugovi su "bogati" bukom i neosjetljivi su na buku (jer digitalni krugovi imaju veću toleranciju na buku napona); Suprotno tome, tolerancija na napon buke analognih krugova je mnogo manja.

Od dva, analogni krugovi su najosjetljiviji na prebacivanje buke. U ožičenju sustava mješovitog signala, ova dva kruga treba odvojiti, kao što je prikazano na slici 4.
　　
▍parazitske komponente generirane PCB dizajnom

Dva osnovna parazitska elementa koji mogu uzrokovati probleme lako se formiraju u PCB dizajnu: parazitski kapacitet i parazitska induktivnost.

Prilikom dizajniranja pločice, postavljanje dva traga blizu jedni drugima stvorit će parazitsko kapacitet. To možete učiniti: na dva različita sloja stavite jedan trag na vrh drugog traga; ili na istom sloju stavite jedan trag pored drugog traga, kao što je prikazano na slici 5.
　　
U ove dvije konfiguracije u tragovima, promjene napona tijekom vremena (DV/DT) na jednom tragu mogu uzrokovati struju na drugom tragu. Ako je drugi trag visoka impedancija, struja koju stvara električno polje pretvorit će se u napon.
　　
Brzi prolazni naponi najčešće se javljaju na digitalnoj strani dizajna analognog signala. Ako su tragovi s brzim prolaznim naponom blizu analognih tragova visoke impedance, ova će pogreška ozbiljno utjecati na točnost analognog kruga. U ovom okruženju, analogni krugovi imaju dva nedostatka: njihova tolerancija na buku mnogo je niža od one u digitalnim krugovima; a tragovi visoke impedancije su češći.
　　
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 jednadžbe kapaciteta. Kako se D povećava, kapacitivna reaktancija će se smanjiti. Druga varijabla koja se može promijeniti je duljina dva traga. U ovom se slučaju duljina L smanjuje, a kapacitivna reaktancija između dva traga također će se smanjiti.
　　
Druga tehnika je položiti uzemljenu žicu između ova dva traga. Žica za uzemljenje je niska impedancija, a dodavanje drugog traga poput ovog oslabit će električno polje smetnji, kao što je prikazano na slici 5.
　　
Načelo parazitske induktivnosti u kružnoj ploči sličan je onom parazitskog kapaciteta. Također je postaviti dva traga. Na dva različita sloja stavite jedan trag na vrh drugog traga; ili na istom sloju stavite jedan trag pored drugog, kao što je prikazano na slici 6.

U ove dvije konfiguracije ožičenja, promjena struje (DI/DT) traga s vremenom, zbog induktivnosti ovog traga, stvorit će napon na istom tragu; A zbog postojanja međusobne induktivnosti, to će se proporcionalna struja generirati na drugom tragu. Ako je promjena napona na prvom tragu dovoljno velika, smetnje mogu smanjiti toleranciju napona digitalnog kruga i uzrokovati pogreške. Ovaj se fenomen ne događa samo u digitalnim krugovima, već je i ovaj fenomen češći u digitalnim krugovima zbog velikih trenutnih prekidačkih struja u digitalnim krugovima.
　　
Za uklanjanje potencijalne buke iz izvora elektromagnetskih smetnji, najbolje je odvojiti "tihe" analogne linije od bučnih I/O priključaka. Da biste pokušali postići mrežu niske impedance i zemaljske mreže, induktivnost žica digitalnog kruga treba minimizirati, a kapacitivno spajanje analognih krugova treba minimizirati.
　　
03

Zaključak

Nakon što se utvrde digitalni i analogni rasponi, pažljivo usmjeravanje ključno je za uspješan PCB. Strategija ožičenja obično se uvodi svima u pravilu, jer je teško testirati konačni uspjeh proizvoda u laboratorijskom okruženju. Stoga, unatoč sličnostima u strategijama ožičenja digitalnih i analognih krugova, razlike u njihovim strategijama ožičenja moraju se prepoznati i shvatiti ozbiljno.