PCB-ի նախագծման մեջ ինչո՞ւ է տարբերությունը անալոգային սխեմայի և թվային սխեմայի միջև այդքան մեծ:

Ինժեներական ոլորտում թվային դիզայներների և թվային տպատախտակների նախագծման փորձագետների թիվը անընդհատ աճում է, ինչը արտացոլում է ոլորտի զարգացման միտումը: Թեև թվային դիզայնի վրա շեշտադրումը մեծ զարգացումներ է առաջացրել էլեկտրոնային արտադրանքներում, այն դեռ գոյություն ունի, և միշտ կլինեն մի շարք սխեմաներ, որոնք զուգակցվում են անալոգային կամ իրական միջավայրերի հետ: Անալոգային և թվային դաշտերում լարերի միացման ռազմավարությունները որոշ նմանություններ ունեն, բայց երբ ցանկանում եք ավելի լավ արդյունքներ ստանալ, քանի որ դրանց միացման տարբեր ռազմավարություններն են, միացումների միացման պարզ դիզայնն այլևս օպտիմալ լուծում չէ:

Այս հոդվածը քննարկում է անալոգային և թվային լարերի հիմնական նմանություններն ու տարբերությունները շրջանցող կոնդենսատորների, սնուցման աղբյուրների, հողի ձևավորման, լարման սխալների և էլեկտրամագնիսական միջամտության (EMI) առումով, որոնք առաջանում են PCB լարերի միջոցով:

Շղթայի վրա շրջանցող կամ անջատող կոնդենսատորներ ավելացնելը և տախտակի վրա այդ կոնդենսատորների գտնվելու վայրը թվային և անալոգային նախագծման համար ողջամիտ են: Բայց հետաքրքիր է, որ պատճառները տարբեր են.

Անալոգային լարերի նախագծման մեջ շրջանցող կոնդենսատորները սովորաբար օգտագործվում են էլեկտրամատակարարման վրա բարձր հաճախականության ազդանշանները շրջանցելու համար: Եթե շրջանցող կոնդենսատորներ չավելացվեն, այս բարձր հաճախականության ազդանշանները կարող են ներթափանցել զգայուն անալոգային չիպեր՝ էլեկտրամատակարարման կապիչների միջոցով: Ընդհանուր առմամբ, այս բարձր հաճախականության ազդանշանների հաճախականությունը գերազանցում է բարձր հաճախականության ազդանշանները ճնշելու անալոգային սարքերի կարողությունը: Եթե շրջանցող կոնդենսատորը չի օգտագործվում անալոգային միացումում, ազդանշանի ուղու վրա աղմուկ կարող է առաջանալ, իսկ ավելի լուրջ դեպքերում՝ նույնիսկ թրթռում։

Անալոգային և թվային PCB նախագծման մեջ շրջանցող կամ անջատող կոնդենսատորները (0.1uF) պետք է տեղադրվեն սարքին հնարավորինս մոտ: Էներգամատակարարման անջատիչ կոնդենսատորը (10uF) պետք է տեղադրվի էլեկտրական գծի մուտքի մոտ: Բոլոր դեպքերում, այս կոնդենսատորների քորոցները պետք է կարճ լինեն:

Նկար 2-ի տպատախտակի վրա տարբեր երթուղիներ են օգտագործվում հոսանքի և հողային լարերը երթուղու համար: Այս ոչ պատշաճ համագործակցության պատճառով, էլեկտրական բաղադրամասերը և սխեմաները տպատախտակի վրա ավելի հավանական է, որ ենթարկվեն էլեկտրամագնիսական միջամտության:

Նկար 3-ի մեկ վահանակում էլեկտրահաղորդման տախտակի վրա գտնվող բաղադրիչներին հոսանքի և հողային լարերը մոտ են միմյանց: Այս տպատախտակում էլեկտրահաղորդման գծի և վերգետնյա գծի համապատասխան հարաբերակցությունը տեղին է, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2-ում: Տախտակի էլեկտրոնային բաղադրիչների և սխեմաների էլեկտրամագնիսական միջամտության (EMI) ենթարկվելու հավանականությունը կրճատվում է 679/12,8 անգամ կամ մոտ 54 անգամ։
　　
Թվային սարքերի համար, ինչպիսիք են կարգավորիչները և պրոցեսորները, նույնպես պահանջվում են անջատող կոնդենսատորներ, բայց տարբեր պատճառներով: Այս կոնդենսատորների գործառույթներից մեկը որպես «մանրանկարչական» լիցքավորման բանկ գործելն է:

Թվային սխեմաներում սովորաբար մեծ քանակությամբ հոսանք է պահանջվում դարպասի վիճակի միացումն իրականացնելու համար: Քանի որ անջատման ժամանակավոր հոսանքները ստեղծվում են չիպի վրա և հոսում են տպատախտակի միջով, ձեռնտու է ունենալ լրացուցիչ «պահեստային» լիցքեր: Եթե անջատման գործողությունը կատարելիս բավարար լիցք չկա, էլեկտրամատակարարման լարումը մեծապես կփոխվի: Լարման չափազանց մեծ փոփոխությունը կհանգեցնի թվային ազդանշանի մակարդակի անորոշ վիճակի և կարող է հանգեցնել թվային սարքի վիճակի մեքենայի սխալ աշխատանքին:

Միացման հոսանքը, որը հոսում է տպատախտակի հետքի միջով, կհանգեցնի լարման փոփոխությանը, իսկ տպատախտակի հետքը ունի մակաբույծ ինդուկտիվություն: Լարման փոփոխությունը հաշվարկելու համար կարելի է օգտագործել հետևյալ բանաձևը՝ V = LdI/dt: Դրանցից V = լարման փոփոխություն, L = տպատախտակի հետքի ինդուկտիվություն, dI = հոսանքի փոփոխություն հետքի միջով, dt = հոսանքի փոփոխման ժամանակ:
　　
Հետևաբար, շատ պատճառներով, ավելի լավ է կիրառել շրջանցող (կամ անջատող) կոնդենսատորներ էլեկտրամատակարարման կամ ակտիվ սարքերի էլեկտրամատակարարման կապում:

Հոսանքի լարը և հողային լարը պետք է անցկացվեն միասին

Էլեկտրամագնիսական միջամտության հավանականությունը նվազեցնելու համար հոսանքի լարը և հողային լարը լավ համընկնում են: Եթե հոսանքի գիծը և վերգետնյա գիծը պատշաճ կերպով չեն համընկնում, ապա կնախագծվի համակարգի հանգույց և, ամենայն հավանականությամբ, կստեղծվի աղմուկ:

PCB-ի նախագծման օրինակ, որտեղ հոսանքի գիծը և վերգետնյա գիծը պատշաճ կերպով չեն համընկնում, ներկայացված է Նկար 2-ում: Այս տպատախտակի վրա նախագծված հանգույցի մակերեսը 697 սմ² է: Օգտագործելով Նկար 3-ում ցույց տրված մեթոդը, շղթայի տախտակի վրա կամ անջատված ճառագայթվող աղմուկի հնարավորությունը, որը լարում է առաջացնում օղակում, կարող է զգալիորեն կրճատվել:

Անալոգային և թվային էլեկտրահաղորդման ռազմավարությունների միջև տարբերությունը

▍Ցամաքային հարթությունը խնդիր է

Շղթայի լարերի միացման հիմնական գիտելիքները կիրառելի են ինչպես անալոգային, այնպես էլ թվային սխեմաների համար: Հիմնական կանոնը անխափան վերգետնյա հարթություն օգտագործելն է: Այս ողջախոհությունը նվազեցնում է dI/dt (հոսանքի փոփոխությունը ժամանակի հետ) էֆեկտը թվային սխեմաներում, ինչը փոխում է հողի ներուժը և առաջացնում աղմուկի ներթափանցում անալոգային սխեմաների մեջ:

Թվային և անալոգային սխեմաների միացման տեխնիկան հիմնականում նույնն է, մեկ բացառությամբ: Անալոգային սխեմաների համար պետք է նշել ևս մեկ կետ, այն է, որ թվային ազդանշանային գծերը և օղակները գետնի հարթությունում հնարավորինս հեռու պահեք անալոգային սխեմաներից: Դրան կարելի է հասնել՝ անալոգային հողային հարթությունը առանձին-առանձին միացնելով համակարգի հողային միացմանը, կամ տեղադրելով անալոգային շղթան տպատախտակի հեռավոր ծայրում, որը գծի վերջն է: Սա արվում է ազդանշանի ուղու վրա արտաքին միջամտությունը նվազագույնի հասցնելու համար:

Կարիք չկա դա անել թվային սխեմաների համար, որոնք առանց խնդիրների կարող են հանդուրժել մեծ աղմուկը գետնի հարթության վրա:

Նկար 4-ը (ձախ) մեկուսացնում է թվային անջատման գործողությունը անալոգային միացումից և բաժանում է միացման թվային և անալոգային մասերը: (Աջ) Բարձր հաճախականությունը և ցածր հաճախականությունը պետք է հնարավորինս առանձնացվեն, իսկ բարձր հաճախականության բաղադրիչները պետք է մոտ լինեն տպատախտակի միակցիչներին:

Նկար 5 Տեղադրեք երկու սերտ հետքեր PCB-ի վրա, հեշտ է ձևավորել մակաբուծական հզորություն: Այս տեսակի հզորության առկայության պատճառով մի հետքի վրա լարման արագ փոփոխությունը կարող է առաջացնել ընթացիկ ազդանշան մյուս հետքի վրա:

Նկար 6 Եթե ուշադրություն չդարձնեք հետքերի տեղադրմանը, ապա PCB-ի հետքերը կարող են առաջացնել գծային ինդուկտիվություն և փոխադարձ ինդուկտիվություն: Այս մակաբույծ ինդուկտիվությունը շատ վնասակար է սխեմաների աշխատանքի համար, ներառյալ թվային անջատիչ սխեմաները:

▍Բաղադրիչի գտնվելու վայրը

Ինչպես նշվեց վերևում, PCB-ի յուրաքանչյուր նախագծում պետք է առանձնացվեն շղթայի աղմուկի մասը և «հանգիստ» մասը (ոչ աղմուկի մաս): Ընդհանուր առմամբ, թվային սխեմաները «հարուստ» են աղմուկով և անզգայուն են աղմուկի նկատմամբ (քանի որ թվային սխեմաներն ունեն ավելի մեծ լարման աղմուկի հանդուրժողականություն); ընդհակառակը, անալոգային սխեմաների լարման աղմուկի հանդուրժողականությունը շատ ավելի փոքր է:

Երկուսից անալոգային սխեմաներն առավել զգայուն են անջատման աղմուկի նկատմամբ: Խառը ազդանշանային համակարգի լարերում այս երկու սխեմաները պետք է առանձնացվեն, ինչպես ցույց է տրված Նկար 4-ում:
　　
▍Մակաբուծական բաղադրիչներ, որոնք ստեղծվել են PCB-ի դիզայնով

Երկու հիմնական մակաբույծ տարրեր, որոնք կարող են խնդիրներ առաջացնել, հեշտությամբ ձևավորվում են PCB-ի ձևավորման մեջ՝ մակաբուծական հզորություն և մակաբուծական ինդուկտիվություն:

Շղթայի նախագծման ժամանակ երկու հետքերը միմյանց մոտ դնելը կառաջացնի մակաբուծական հզորություն: Դուք կարող եք դա անել. Երկու տարբեր շերտերի վրա տեղադրեք մի հետքը մյուս հետքի վրա; կամ նույն շերտի վրա տեղադրեք մի հետքը մյուս հետքի կողքին, ինչպես ցույց է տրված Նկար 5-ում:
　　
Այս երկու հետքի կոնֆիգուրացիաներում ժամանակի ընթացքում լարման փոփոխությունները (dV/dt) մի հետքի վրա կարող են առաջացնել հոսանք մյուս հետքի վրա: Եթե մյուս հետքը բարձր դիմադրողականություն է, ապա էլեկտրական դաշտից առաջացած հոսանքը կվերածվի լարման:
　　
Արագ լարման անցումներն առավել հաճախ տեղի են ունենում անալոգային ազդանշանի դիզայնի թվային կողմում: Եթե արագ լարման անցումներով հետքերը մոտ են բարձր դիմադրողականության անալոգային հետքերին, ապա այս սխալը լրջորեն կազդի անալոգային շղթայի ճշգրտության վրա: Այս միջավայրում անալոգային սխեմաներն ունեն երկու թերություն. նրանց աղմուկի հանդուրժողականությունը շատ ավելի ցածր է, քան թվային սխեմաները; իսկ բարձր դիմադրողականության հետքերը ավելի տարածված են:
　　
Հետևյալ երկու տեխնիկաներից մեկի օգտագործումը կարող է նվազեցնել այս երևույթը: Առավել հաճախ օգտագործվող տեխնիկան հետքերի միջև չափը փոխելն է՝ ըստ հզորության հավասարման: Փոփոխելու ամենաարդյունավետ չափը երկու հետքերի միջև եղած հեռավորությունն է: Հարկ է նշել, որ d փոփոխականը գտնվում է հզորության հավասարման հայտարարում։ Երբ d-ն մեծանում է, կոնդենսիվ ռեակտիվությունը կնվազի: Մեկ այլ փոփոխական, որը կարող է փոխվել, երկու հետքերի երկարությունն է: Այս դեպքում L երկարությունը նվազում է, և երկու հետքերի միջև կապակցիվ ռեակտիվությունը նույնպես կնվազի։
　　
Մեկ այլ տեխնիկա այս երկու հետքերի միջև հողային մետաղալար դնելն է: Հողային մետաղալարը ցածր դիմադրողականություն ունի, և նման այլ հետք ավելացնելը կթուլացնի միջամտության էլեկտրական դաշտը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 5-ում:
　　
Շղթայի տախտակում մակաբուծային ինդուկտիվության սկզբունքը նման է մակաբուծական հզորության սկզբունքին: Դա նաև երկու հետք դնելն է։ Երկու տարբեր շերտերի վրա տեղադրեք մի հետքը մյուս հետքի վրա; կամ նույն շերտի վրա տեղադրեք մի հետքը մյուսի կողքին, ինչպես ցույց է տրված Նկար 6-ում:

Այս երկու լարերի կոնֆիգուրացիաներում հետքի ընթացիկ փոփոխությունը (dI/dt) ժամանակի հետ, այս հետքի ինդուկտիվության պատճառով, կստեղծի լարում նույն հետքի վրա. և փոխադարձ ինդուկտիվության առկայության պատճառով մյուս հետքի վրա առաջանում է համամասնական հոսանք: Եթե առաջին հետքի վրա լարման փոփոխությունը բավականաչափ մեծ է, միջամտությունը կարող է նվազեցնել թվային շղթայի լարման հանդուրժողականությունը և առաջացնել սխալներ: Այս երևույթը տեղի է ունենում ոչ միայն թվային սխեմաներում, այլ այս երևույթն ավելի տարածված է թվային սխեմաներում՝ թվային սխեմաներում մեծ ակնթարթային միացման հոսանքների պատճառով:
　　
Էլեկտրամագնիսական միջամտության աղբյուրներից պոտենցիալ աղմուկը վերացնելու համար լավագույնն է «հանգիստ» անալոգային գծերը առանձնացնել աղմկոտ I/O պորտերից: Ցածր դիմադրողականության հզորության և հողային ցանցի հասնելու համար պետք է նվազագույնի հասցնել թվային շղթայի լարերի ինդուկտիվությունը, իսկ անալոգային սխեմաների կոնդենսիվ զուգավորումը՝ նվազագույնի:
　　
03

Եզրակացություն

Թվային և անալոգային տիրույթները որոշելուց հետո զգույշ երթուղավորումը կարևոր է հաջող PCB-ի համար: Հաղորդալարերի միացման ռազմավարությունը սովորաբար ներկայացվում է բոլորին որպես հիմնական կանոն, քանի որ լաբորատոր միջավայրում դժվար է ստուգել արտադրանքի վերջնական հաջողությունը: Հետևաբար, չնայած թվային և անալոգային սխեմաների միացման ռազմավարությունների նմանություններին, դրանց միացման ռազմավարությունների տարբերությունները պետք է ճանաչվեն և լրջորեն ընդունվեն: