Dalam desain PCB, mengapa perbedaan antara sirkuit analog dan sirkuit digital begitu besar?

Jumlah desainer digital dan pakar desain papan sirkuit digital di bidang teknik terus meningkat, yang mencerminkan tren pengembangan industri. Meskipun penekanan pada desain digital telah membawa perkembangan besar dalam produk elektronik, itu masih ada, dan akan selalu ada beberapa desain sirkuit yang berinteraksi dengan lingkungan analog atau nyata. Strategi kabel di bidang analog dan digital memiliki beberapa kesamaan, tetapi ketika Anda ingin mendapatkan hasil yang lebih baik, karena strategi kabelnya yang berbeda, desain kabel sirkuit sederhana tidak lagi menjadi solusi yang optimal.

Artikel ini membahas persamaan dasar dan perbedaan antara kabel analog dan digital dalam hal kapasitor bypass, catu daya, desain tanah, kesalahan tegangan, dan gangguan elektromagnetik (EMI) yang disebabkan oleh kabel PCB.

Menambahkan kapasitor bypass atau decoupling pada papan sirkuit dan lokasi kapasitor ini di papan tulis adalah akal sehat untuk desain digital dan analog. Namun yang menarik, alasannya berbeda.

Dalam desain kabel analog, kapasitor bypass biasanya digunakan untuk memotong sinyal frekuensi tinggi pada catu daya. Jika kapasitor bypass tidak ditambahkan, sinyal frekuensi tinggi ini dapat memasuki chip analog yang sensitif melalui pin catu daya. Secara umum, frekuensi sinyal frekuensi tinggi ini melebihi kemampuan perangkat analog untuk menekan sinyal frekuensi tinggi. Jika kapasitor bypass tidak digunakan dalam sirkuit analog, noise dapat diperkenalkan di jalur sinyal, dan dalam kasus yang lebih serius, bahkan dapat menyebabkan getaran.

Dalam desain PCB analog dan digital, kapasitor bypass atau decoupling (0,1uF) harus ditempatkan sedekat mungkin dengan perangkat. Kapasitor decoupling catu daya (10UF) harus ditempatkan di pintu masuk saluran listrik papan sirkuit. Dalam semua kasus, pin kapasitor ini harus pendek.

Pada papan sirkuit pada Gambar 2, rute yang berbeda digunakan untuk merutekan kabel daya dan ground. Karena kerja sama yang tidak tepat ini, komponen elektronik dan sirkuit pada papan sirkuit lebih cenderung mengalami gangguan elektromagnetik.

Pada panel tunggal dari Gambar 3, kabel daya dan ground ke komponen pada papan sirkuit dekat satu sama lain. Rasio pencocokan dari saluran listrik dan saluran dasar dalam papan sirkuit ini sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Probabilitas komponen elektronik dan sirkuit dalam papan sirkuit mengalami gangguan elektromagnetik (EMI) dikurangi 679/12,8 kali atau sekitar 54 kali.
　　
Untuk perangkat digital seperti pengontrol dan prosesor, kapasitor decoupling juga diperlukan, tetapi untuk alasan yang berbeda. Salah satu fungsi dari kapasitor ini adalah bertindak sebagai bank biaya "miniatur".

Di sirkuit digital, sejumlah besar arus biasanya diperlukan untuk melakukan switching keadaan gerbang. Karena switching arus sementara dihasilkan pada chip selama beralih dan mengalir melalui papan sirkuit, menguntungkan untuk memiliki biaya "cadangan" tambahan. Jika tidak ada cukup biaya saat melakukan aksi switching, tegangan catu daya akan sangat berubah. Terlalu banyak perubahan tegangan akan menyebabkan tingkat sinyal digital memasuki keadaan yang tidak pasti, dan dapat menyebabkan mesin negara di perangkat digital beroperasi secara tidak benar.

Arus switching yang mengalir melalui jejak papan sirkuit akan menyebabkan tegangan berubah, dan jejak papan sirkuit memiliki induktansi parasit. Rumus berikut dapat digunakan untuk menghitung perubahan tegangan: V = ldi/dt. Di antara mereka: v = perubahan tegangan, l = induktansi jejak papan sirkuit, di = perubahan arus melalui jejak, dt = waktu perubahan arus.
　　
Oleh karena itu, karena berbagai alasan, lebih baik untuk menerapkan kapasitor bypass (atau decoupling) pada catu daya atau pada pin catu daya perangkat aktif.

Kabel listrik dan kawat ground harus dialihkan bersama

Posisi kabel listrik dan kawat tanah sangat cocok untuk mengurangi kemungkinan gangguan elektromagnetik. Jika saluran listrik dan saluran dasar tidak cocok dengan benar, loop sistem akan dirancang dan kebisingan kemungkinan akan dihasilkan.

Contoh desain PCB di mana saluran listrik dan saluran dasar tidak cocok dengan benar ditunjukkan pada Gambar 2. Pada papan sirkuit ini, area loop yang dirancang adalah 697cm². Menggunakan metode yang ditunjukkan pada Gambar 3, kemungkinan noise yang dipancarkan pada atau di luar papan sirkuit yang menginduksi tegangan dalam loop dapat sangat berkurang.

Perbedaan antara strategi analog dan kabel digital

▍ Pesawat tanah adalah masalah

Pengetahuan dasar kabel papan sirkuit berlaku untuk sirkuit analog dan digital. Aturan praktis dasar adalah menggunakan bidang tanah yang tidak terputus. Akal sehat ini mengurangi efek DI/DT (perubahan arus seiring waktu) di sirkuit digital, yang mengubah potensial tanah dan menyebabkan kebisingan memasuki sirkuit analog.

Teknik kabel untuk sirkuit digital dan analog pada dasarnya sama, dengan satu pengecualian. Untuk sirkuit analog, ada titik lain yang perlu diperhatikan, yaitu, jaga agar garis sinyal digital dan loop di bidang tanah sejauh mungkin dari sirkuit analog. Ini dapat dicapai dengan menghubungkan bidang tanah analog ke koneksi ground sistem secara terpisah, atau menempatkan sirkuit analog di ujung papan sirkuit, yang merupakan ujung garis. Ini dilakukan untuk menjaga gangguan eksternal pada jalur sinyal seminimal mungkin.

Tidak perlu melakukan ini untuk sirkuit digital, yang dapat mentolerir banyak kebisingan di bidang tanah tanpa masalah.

Gambar 4 (kiri) mengisolasi aksi switching digital dari sirkuit analog dan memisahkan bagian digital dan analog dari sirkuit. (Kanan) Frekuensi tinggi dan frekuensi rendah harus dipisahkan sebanyak mungkin, dan komponen frekuensi tinggi harus dekat dengan konektor papan sirkuit.

Gambar 5 Tata Letak Dua jejak dekat pada PCB, mudah untuk membentuk kapasitansi parasit. Karena adanya kapasitansi semacam ini, perubahan tegangan yang cepat pada satu jejak dapat menghasilkan sinyal saat ini pada jejak lainnya.

Gambar 6 Jika Anda tidak memperhatikan penempatan jejak, jejak di PCB dapat menghasilkan induktansi garis dan induktansi timbal balik. Induktansi parasit ini sangat berbahaya bagi pengoperasian sirkuit termasuk sirkuit switching digital.

▍ Lokasi Komponen

Seperti disebutkan di atas, dalam setiap desain PCB, bagian kebisingan dari sirkuit dan bagian "tenang" (bagian non-noise) harus dipisahkan. Secara umum, sirkuit digital "kaya" dalam kebisingan dan tidak sensitif terhadap kebisingan (karena sirkuit digital memiliki toleransi kebisingan tegangan yang lebih besar); Sebaliknya, toleransi kebisingan tegangan sirkuit analog jauh lebih kecil.

Dari keduanya, sirkuit analog adalah yang paling sensitif terhadap noise switching. Dalam kabel sistem sinyal campuran, kedua sirkuit ini harus dipisahkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
　　
Components Komponen Parasit yang Dihasilkan oleh Desain PCB

Dua elemen parasit dasar yang dapat menyebabkan masalah mudah terbentuk dalam desain PCB: kapasitansi parasit dan induktansi parasit.

Saat merancang papan sirkuit, menempatkan dua jejak yang dekat satu sama lain akan menghasilkan kapasitansi parasit. Anda dapat melakukan ini: pada dua lapisan yang berbeda, letakkan satu jejak di atas jejak lainnya; atau pada lapisan yang sama, letakkan satu jejak di sebelah jejak lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
　　
Dalam dua konfigurasi jejak ini, perubahan tegangan dari waktu ke waktu (DV/DT) pada satu jejak dapat menyebabkan arus pada jejak lain. Jika jejak lainnya adalah impedansi tinggi, arus yang dihasilkan oleh medan listrik akan dikonversi menjadi tegangan.
　　
Transien tegangan cepat paling sering terjadi pada sisi digital dari desain sinyal analog. Jika jejak dengan transien tegangan cepat dekat dengan jejak analog impedansi tinggi, kesalahan ini akan secara serius mempengaruhi keakuratan sirkuit analog. Dalam lingkungan ini, sirkuit analog memiliki dua kelemahan: toleransi kebisingannya jauh lebih rendah daripada sirkuit digital; dan jejak impedansi tinggi lebih umum.
　　
Menggunakan salah satu dari dua teknik berikut dapat mengurangi fenomena ini. Teknik yang paling umum digunakan adalah mengubah ukuran antara jejak sesuai dengan persamaan kapasitansi. Ukuran paling efektif untuk berubah adalah jarak antara kedua jejak. Perlu dicatat bahwa variabel D ada dalam penyebut persamaan kapasitansi. Ketika D meningkat, reaktansi kapasitif akan berkurang. Variabel lain yang dapat diubah adalah panjang kedua jejak. Dalam hal ini, panjang L berkurang, dan reaktansi kapasitif antara kedua jejak juga akan berkurang.
　　
Teknik lain adalah meletakkan kabel tanah di antara kedua jejak ini. Kawat tanah adalah impedansi rendah, dan menambahkan jejak lain seperti ini akan melemahkan medan listrik gangguan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
　　
Prinsip induktansi parasit di papan sirkuit mirip dengan kapasitansi parasit. Ini juga untuk meletakkan dua jejak. Pada dua lapisan yang berbeda, letakkan satu jejak di atas jejak lainnya; atau pada lapisan yang sama, letakkan satu jejak di sebelah yang lain, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Dalam dua konfigurasi kabel ini, perubahan arus (DI/DT) dari jejak dengan waktu, karena induktansi jejak ini, akan menghasilkan tegangan pada jejak yang sama; Dan karena adanya induktansi timbal balik, arus proporsional akan dihasilkan pada jejak lainnya. Jika perubahan tegangan pada jejak pertama cukup besar, gangguan dapat mengurangi toleransi tegangan sirkuit digital dan menyebabkan kesalahan. Fenomena ini tidak hanya terjadi di sirkuit digital, tetapi fenomena ini lebih umum di sirkuit digital karena arus switching instan yang besar di sirkuit digital.
　　
Untuk menghilangkan potensi kebisingan dari sumber gangguan elektromagnetik, yang terbaik adalah memisahkan garis analog "tenang" dari port I/O yang bising. Untuk mencoba mencapai daya dan jaringan darat impedansi rendah, induktansi kabel sirkuit digital harus diminimalkan, dan kopling kapasitif sirkuit analog harus diminimalkan.
　　
03

Kesimpulan

Setelah rentang digital dan analog ditentukan, perutean yang cermat sangat penting untuk PCB yang sukses. Strategi kabel biasanya diperkenalkan kepada semua orang sebagai aturan praktis, karena sulit untuk menguji keberhasilan utama produk di lingkungan laboratorium. Oleh karena itu, terlepas dari kesamaan dalam strategi kabel sirkuit digital dan analog, perbedaan dalam strategi kabel mereka harus dikenali dan ditanggapi dengan serius.