A mérnöki területen folyamatosan növekszik a digitális tervezők és a digitális áramköri lapokat tervező szakemberek száma, ami tükrözi az iparág fejlődési tendenciáját. Bár a digitális tervezés hangsúlyozása jelentős fejlesztéseket hozott az elektronikai termékekben, ez még mindig létezik, és mindig lesznek olyan áramkör-tervek, amelyek kapcsolódnak analóg vagy valós környezetekhez. Az analóg és a digitális területen alkalmazott bekötési stratégiáknak van némi hasonlósága, de ha jobb eredményeket akarunk elérni, a különböző bekötési stratégiáik miatt az egyszerű áramköri huzalozás már nem az optimális megoldás.

Ez a cikk az analóg és digitális vezetékek közötti alapvető hasonlóságokat és különbségeket tárgyalja a bypass kondenzátorok, tápegységek, földelés, feszültséghibák és a PCB-vezetékek által okozott elektromágneses interferencia (EMI) tekintetében.

A mérnöki területen folyamatosan növekszik a digitális tervezők és a digitális áramköri lapokat tervező szakemberek száma, ami tükrözi az iparág fejlődési tendenciáját. Bár a digitális tervezés hangsúlyozása jelentős fejlesztéseket hozott az elektronikai termékekben, ez még mindig létezik, és mindig lesznek olyan áramkör-tervek, amelyek kapcsolódnak analóg vagy valós környezetekhez. Az analóg és a digitális területen alkalmazott bekötési stratégiáknak van némi hasonlósága, de ha jobb eredményeket akarunk elérni, a különböző bekötési stratégiáik miatt az egyszerű áramköri huzalozás már nem az optimális megoldás.

Ez a cikk az analóg és digitális vezetékek közötti alapvető hasonlóságokat és különbségeket tárgyalja a bypass kondenzátorok, tápegységek, földelés, feszültséghibák és a PCB-vezetékek által okozott elektromágneses interferencia (EMI) tekintetében.

A megkerülő vagy szétcsatoló kondenzátorok hozzáadása az áramköri laphoz és ezeknek a kondenzátoroknak a kártyán való elhelyezése józan ész a digitális és analóg kiviteleknél. De érdekes módon az okok különbözőek.

Az analóg vezetékezésnél a bypass kondenzátorokat általában a tápegység nagyfrekvenciás jeleinek megkerülésére használják. Ha nem adnak hozzá bypass kondenzátorokat, ezek a nagyfrekvenciás jelek érzékeny analóg chipekbe juthatnak a tápegység érintkezőin keresztül. Általánosságban elmondható, hogy ezeknek a nagyfrekvenciás jeleknek a frekvenciája meghaladja az analóg eszközök nagyfrekvenciás jelek elnyomásának képességét. Ha az analóg áramkörben nem használják a bypass kondenzátort, akkor a jelútban zaj léphet fel, súlyosabb esetekben pedig vibrációt is okozhat.

Analóg és digitális NYÁK-tervezés esetén a bypass vagy lecsatoló kondenzátorokat (0,1 uF) a lehető legközelebb kell elhelyezni az eszközhöz. A tápegység leválasztó kondenzátorát (10uF) az áramköri lap tápvezeték-bemeneténél kell elhelyezni. Ezeknek a kondenzátoroknak a tűinek minden esetben rövidnek kell lenniük.

A 2. ábrán látható áramköri lapon különböző útvonalakat használnak a táp- és földvezetékek vezetésére. A nem megfelelő együttműködés miatt az áramköri lapon lévő elektronikus alkatrészek és áramkörök nagyobb valószínűséggel vannak kitéve elektromágneses interferenciának.

A 3. ábra egyetlen paneljén az áramköri lapon lévő alkatrészek táp- és földvezetékei közel vannak egymáshoz. A tápvezeték és a földvezeték illeszkedési aránya ezen az áramköri lapon a 2. ábrán látható módon megfelelő. Annak valószínűsége, hogy az áramköri lapon lévő elektronikus alkatrészek és áramkörök elektromágneses interferenciának (EMI) lesznek kitéve, 679/12,8-szorosára csökken. körülbelül 54 alkalommal.
　　
Digitális eszközök, például vezérlők és processzorok esetében szintén szükség van szétválasztó kondenzátorokra, de különböző okokból. Ezeknek a kondenzátoroknak az egyik funkciója, hogy „miniatűr” töltőbankként működjenek.

A digitális áramkörökben általában nagy mennyiségű áramra van szükség a kapuállapot-váltás végrehajtásához. Mivel a kapcsolás során a chipen kapcsolási tranziens áramok keletkeznek, amelyek átfolynak az áramköri lapon, előnyös a további „tartalék” töltések alkalmazása. Ha a kapcsolási művelet végrehajtása során nincs elegendő töltés, a tápfeszültség nagymértékben megváltozik. A túl nagy feszültségváltozás miatt a digitális jelszint bizonytalan állapotba kerül, és a digitális eszköz állapotgépe hibásan működhet.

Az áramköri lap nyomvonalán átfolyó kapcsolóáram a feszültség változását okozza, és az áramköri lap nyomvonalának parazita induktivitása van. A feszültségváltozás kiszámításához a következő képlet használható: V = LdI/dt. Ezek közül: V = feszültségváltozás, L = áramköri nyomkövetési induktivitás, dI = áramváltozás a nyomon keresztül, dt = áramváltozási idő.
　　
Ezért sok okból jobb bypass (vagy szétkapcsoló) kondenzátorokat alkalmazni a tápegységnél vagy az aktív eszközök tápegység érintkezőinél.

A tápkábelt és a földelő vezetéket együtt kell elvezetni

A tápkábel és a földelő vezeték helyzete jól illeszkedik az elektromágneses interferencia lehetőségének csökkentése érdekében. Ha a tápvezeték és a földvezeték nincs megfelelően illesztve, a rendszer hurkot tervez, és valószínűleg zaj keletkezik.

A 2. ábrán látható egy példa a NYÁK-kialakításra, ahol a tápvezeték és a földvezeték nincs megfelelően illesztve. Ezen az áramköri lapon a tervezett hurokterület 697 cm². A 3. ábrán bemutatott módszerrel nagymértékben csökkenthető annak lehetősége, hogy az áramköri lapon vagy azon kívül sugárzott zaj feszültséget indukáljon a hurokban.

Az analóg és a digitális bekötési stratégiák közötti különbség

▍Az alaplap probléma

Az áramköri kábelezés alapismeretei az analóg és a digitális áramkörökre egyaránt alkalmazhatók. Alapvető ökölszabály a megszakítás nélküli alapsík használata. Ez a józan ész csökkenti a dI/dt (áram változása az idő függvényében) hatását a digitális áramkörökben, ami megváltoztatja a földpotenciált, és zajt okoz az analóg áramkörökben.

A digitális és analóg áramkörök bekötési technikái egy kivétellel alapvetően megegyeznek. Az analóg áramkörök esetében még egy szempontot érdemes megjegyezni, vagyis a digitális jelvezetékeket és hurkokat az alapsíkban a lehető legtávolabb kell tartani az analóg áramköröktől. Ezt úgy érheti el, hogy az analóg alaplapot külön csatlakoztatja a rendszer földelőcsatlakozójához, vagy az analóg áramkört az áramköri lap túlsó végére helyezi, amely a vonal vége. Ez azért történik, hogy a jelútban a külső interferencia minimális legyen.

A digitális áramkörök esetében erre nincs szükség, amelyek gond nélkül elviselik a sok zajt az alaplapon.

A 4. ábra (balra) elkülöníti a digitális kapcsolási műveletet az analóg áramkörtől, és elválasztja az áramkör digitális és analóg részeit. (Jobbra) A magas és az alacsony frekvenciát a lehető legnagyobb mértékben el kell választani egymástól, és a nagyfrekvenciás alkatrészeknek közel kell lenniük az áramköri csatlakozókhoz.

5. ábra. A NYÁK-on két szoros nyomvonalat helyezünk el, könnyen lehet parazita kapacitást kialakítani. Ennek a fajta kapacitásnak köszönhetően az egyik nyomvonalon bekövetkező gyors feszültségváltozás áramjelet generálhat a másik nyomvonalon.

6. ábra Ha nem figyel a nyomvonalak elhelyezésére, a NYÁK-ban lévő nyomok vonali induktivitást és kölcsönös induktivitást eredményezhetnek. Ez a parazita induktivitás nagyon káros az áramkörök működésére, beleértve a digitális kapcsolóáramköröket is.

▍Alkatrészek elhelyezkedése

Mint fentebb említettük, minden NYÁK-konstrukcióban el kell választani az áramkör zajos részét és a „csendes” részt (nem zajos részt). Általánosságban elmondható, hogy a digitális áramkörök „zajban gazdagok” és érzéketlenek a zajra (mivel a digitális áramkörök nagyobb feszültség-zajtűréssel rendelkeznek); ellenkezőleg, az analóg áramkörök feszültségzajtűrése sokkal kisebb.

A kettő közül az analóg áramkörök a legérzékenyebbek a kapcsolási zajra. A vegyes jelű rendszer huzalozásánál ezt a két áramkört el kell választani, a 4. ábra szerint.
　　
▍A PCB tervezés által generált parazita komponensek

A NYÁK tervezésénél könnyen kialakítható két alapvető parazita elem, amely problémákat okozhat: a parazita kapacitás és a parazita induktivitás.

Az áramköri lap tervezésekor két nyomvonal egymáshoz közeli elhelyezése parazita kapacitást generál. Ezt megteheti: Két különböző rétegen helyezze el az egyik nyomvonalat a másik nyomvonalra; vagy ugyanazon a rétegen helyezzen el egy nyomvonalat a másik nyomvonal mellé, az 5. ábrán látható módon.
　　
Ebben a két nyomvonal-konfigurációban a feszültség időbeli változása (dV/dt) az egyik nyomvonalon áramot okozhat a másik nyomvonalon. Ha a másik nyom nagy impedanciájú, akkor az elektromos tér által generált áram feszültséggé alakul.
　　
A gyors feszültségtranziensek leggyakrabban az analóg jelek digitális oldalán fordulnak elő. Ha a gyors feszültségtranziensekkel rendelkező nyomok közel vannak a nagy impedanciájú analóg nyomokhoz, ez a hiba súlyosan befolyásolja az analóg áramkör pontosságát. Ebben a környezetben az analóg áramköröknek két hátránya van: zajtűrésük jóval alacsonyabb, mint a digitális áramkörökké; és gyakoribbak a nagy impedanciájú nyomok.
　　
A következő két technika valamelyikének használatával csökkenthető ez a jelenség. A leggyakrabban használt technika a nyomvonalak közötti méret változtatása a kapacitásegyenlet szerint. A leghatékonyabban módosítható méret a két nyomvonal közötti távolság. Megjegyzendő, hogy a d változó a kapacitásegyenlet nevezőjében van. Ahogy d növekszik, a kapacitív reaktancia csökken. Egy másik változtatható változó a két nyomvonal hossza. Ebben az esetben az L hosszúság csökken, és a két nyomvonal közötti kapacitív reaktancia is csökken.
　　
Egy másik technika a földelővezeték fektetése e két nyom között. A földelő vezeték alacsony impedanciájú, és egy ilyen nyomvonal hozzáadása gyengíti az interferencia elektromos mezőjét, amint azt az 5. ábra mutatja.
　　
Az áramköri lap parazita induktivitásának elve hasonló a parazita kapacitáséhoz. Ezenkívül két nyomot kell kitűzni. Két különböző rétegen helyezze az egyik nyomot a másik nyomra; vagy ugyanazon a rétegen helyezze el az egyik nyomot a másik mellé, a 6. ábrán látható módon.

Ebben a két huzalozási konfigurációban egy nyomvonal áramváltozása (dI/dt) az idő függvényében ennek a nyomvonalnak az induktivitása miatt feszültséget generál ugyanazon a nyomvonalon; és a kölcsönös induktivitás megléte miatt a másik nyomvonalon arányos áram keletkezik. Ha az első nyomvonalon a feszültségváltozás elég nagy, az interferencia csökkentheti a digitális áramkör feszültségtűrését és hibákat okozhat. Ez a jelenség nem csak a digitális áramkörökben fordul elő, hanem a digitális áramkörökben gyakoribb a nagy pillanatnyi kapcsolási áramok miatt.
　　
Az elektromágneses interferencia forrásokból származó lehetséges zajok kiküszöbölése érdekében a legjobb, ha a „csendes” analóg vonalakat elválasztja a zajos I/O portoktól. Az alacsony impedanciájú teljesítmény- és földelési hálózat eléréséhez a digitális áramköri vezetékek induktivitását minimalizálni kell, az analóg áramkörök kapacitív csatolását pedig minimalizálni kell.
　　
03

Következtetés

A digitális és analóg tartományok meghatározása után a gondos útválasztás elengedhetetlen a sikeres PCB-hez. A huzalozási stratégiát általában ökölszabályként ismerik meg mindenki, mert laboratóriumi környezetben nehéz tesztelni a termék végső sikerét. Ezért a digitális és analóg áramkörök bekötési stratégiáinak hasonlóságai ellenére fel kell ismerni és komolyan kell venni a bekötési stratégiáik különbségeit.