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

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

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

Menambahkan kapasitor bypass atau decoupling pada papan sirkuit dan lokasi kapasitor ini pada papan adalah hal yang wajar untuk desain digital dan analog. Namun menariknya, alasannya berbeda-beda.

Dalam desain kabel analog, kapasitor bypass biasanya digunakan untuk mem-bypass sinyal frekuensi tinggi pada catu daya. Jika kapasitor bypass tidak ditambahkan, sinyal frekuensi tinggi ini dapat masuk ke chip analog 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 rangkaian analog, noise dapat timbul pada 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 pada papan sirkuit. Dalam semua kasus, pin kapasitor ini harus pendek.

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

Pada panel tunggal Gambar 3, kabel daya dan kabel ground ke komponen pada papan sirkuit berdekatan satu sama lain. Rasio pencocokan saluran listrik dan saluran arde pada papan sirkuit ini sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Kemungkinan komponen dan sirkuit elektronik pada papan sirkuit terkena interferensi elektromagnetik (EMI) berkurang 679/12,8 kali atau sekitar 54 kali.
　　
Untuk perangkat digital seperti pengontrol dan prosesor, kapasitor decoupling juga diperlukan, namun untuk alasan yang berbeda. Salah satu fungsi kapasitor ini adalah sebagai bank muatan “miniatur”.

Dalam rangkaian digital, arus dalam jumlah besar biasanya diperlukan untuk melakukan peralihan status gerbang. Karena arus transien peralihan dihasilkan pada chip selama peralihan dan mengalir melalui papan sirkuit, maka akan menguntungkan jika memiliki biaya “cadangan” tambahan. Jika daya tidak mencukupi saat melakukan tindakan peralihan, tegangan catu daya akan sangat berubah. Perubahan voltase yang terlalu besar akan menyebabkan level sinyal digital memasuki keadaan tidak menentu, dan dapat menyebabkan mesin status pada perangkat digital tidak beroperasi dengan 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. Diantaranya: 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 menggunakan kapasitor bypass (atau decoupling) pada catu daya atau pada pin catu daya perangkat aktif.

Kabel listrik dan kabel ground harus dirutekan bersamaan

Posisi kabel listrik dan kabel ground disesuaikan dengan baik untuk mengurangi kemungkinan interferensi elektromagnetik. Jika saluran listrik dan saluran tanah tidak cocok dengan benar, loop sistem akan dirancang dan kemungkinan besar akan timbul kebisingan.

Contoh desain PCB yang saluran listrik dan saluran groundnya tidak cocok ditunjukkan pada Gambar 2. Pada papan sirkuit ini, luas loop yang dirancang adalah 697cm². Dengan menggunakan metode yang ditunjukkan pada Gambar 3, kemungkinan radiasi kebisingan di dalam atau di luar papan sirkuit yang menginduksi tegangan dalam loop dapat sangat dikurangi.

Perbedaan antara strategi pengkabelan analog dan digital

▍ Pesawat darat bermasalah

Pengetahuan dasar tentang pengkabelan papan sirkuit berlaku untuk sirkuit analog dan digital. Aturan dasarnya adalah menggunakan ground plane yang tidak terputus. Akal sehat ini mengurangi efek dI/dt (perubahan arus seiring waktu) di sirkuit digital, yang mengubah potensial ground dan menyebabkan noise masuk ke sirkuit analog.

Teknik pengkabelan untuk rangkaian digital dan analog pada dasarnya sama, dengan satu pengecualian. Untuk rangkaian analog, ada hal lain yang perlu diperhatikan, yaitu menjaga jalur dan loop sinyal digital pada bidang tanah sejauh mungkin dari rangkaian analog. Hal ini dapat dicapai dengan menghubungkan ground plane analog ke koneksi ground sistem secara terpisah, atau menempatkan sirkuit analog di ujung papan sirkuit, yang merupakan ujung saluran. Hal ini dilakukan untuk meminimalkan gangguan eksternal pada jalur sinyal.

Hal ini tidak perlu dilakukan pada sirkuit digital, yang dapat mentolerir banyak noise di bidang tanah tanpa masalah.

Gambar 4 (kiri) mengisolasi aksi peralihan digital dari rangkaian analog dan memisahkan bagian digital dan analog dari rangkaian. (Kanan) Frekuensi tinggi dan frekuensi rendah harus dipisahkan sebisa 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 jalur dapat menghasilkan sinyal arus pada jalur lainnya.

Gambar 6 Jika penempatan jejak tidak diperhatikan, jejak pada PCB dapat menghasilkan induktansi saluran dan induktansi timbal balik. Induktansi parasit ini sangat berbahaya bagi pengoperasian rangkaian termasuk rangkaian switching digital.

▍Lokasi komponen

Seperti disebutkan di atas, dalam setiap desain PCB, bagian rangkaian yang berisik dan bagian yang “tenang” (bagian yang tidak menimbulkan kebisingan) harus dipisahkan. Secara umum, sirkuit digital “kaya” akan noise dan tidak sensitif terhadap noise (karena sirkuit digital memiliki toleransi noise tegangan yang lebih besar); sebaliknya, toleransi gangguan tegangan pada rangkaian analog jauh lebih kecil.

Dari keduanya, rangkaian analog adalah yang paling sensitif terhadap gangguan switching. Dalam pengkabelan sistem sinyal campuran, kedua sirkuit ini harus dipisahkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
　　
▍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 mendesain papan sirkuit, menempatkan dua jalur berdekatan satu sama lain akan menghasilkan kapasitansi parasit. Anda dapat melakukan ini: Pada dua lapisan berbeda, tempatkan satu jejak di atas jejak lainnya; atau pada layer yang sama, letakkan satu jejak di samping jejak lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
　　
Dalam dua konfigurasi trace ini, perubahan tegangan terhadap waktu (dV/dt) pada satu trace dapat menyebabkan arus pada trace lainnya. Jika jejak lainnya berimpedansi tinggi, arus yang dihasilkan medan listrik akan diubah 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 sangat mempengaruhi keakuratan rangkaian analog. Dalam lingkungan ini, rangkaian analog memiliki dua kelemahan: toleransi kebisingannya jauh lebih rendah dibandingkan dengan rangkaian digital; dan jejak impedansi tinggi lebih umum terjadi.
　　
Menggunakan salah satu dari dua teknik berikut dapat mengurangi fenomena ini. Teknik yang paling umum digunakan adalah mengubah ukuran antar jejak sesuai dengan persamaan kapasitansi. Ukuran yang paling efektif untuk diubah adalah jarak antara kedua jejak. Perlu diperhatikan bahwa variabel d berada pada penyebut persamaan kapasitansi. Dengan bertambahnya d, reaktansi kapasitif akan berkurang. Variabel lain yang dapat diubah adalah panjang kedua jejak tersebut. Dalam hal ini, panjang L berkurang, dan reaktansi kapasitif antara kedua jejak juga akan berkurang.
　　
Teknik lainnya adalah dengan memasang kabel ground di antara kedua jalur ini. Kabel ground memiliki impedansi rendah, dan menambahkan jejak lain seperti ini akan melemahkan medan listrik interferensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
　　
Prinsip induktansi parasit pada papan sirkuit mirip dengan kapasitansi parasit. Ini juga untuk membuat dua jejak. Pada dua lapisan berbeda, tempatkan satu jejak di atas jejak lainnya; atau pada lapisan yang sama, letakkan satu jejak di samping yang lain, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Dalam dua konfigurasi pengkabelan ini, perubahan arus (dI/dt) suatu jejak terhadap waktu, karena induktansi dari 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 rangkaian pertama cukup besar, interferensi dapat mengurangi toleransi tegangan pada rangkaian digital dan menyebabkan kesalahan. Fenomena ini tidak hanya terjadi pada rangkaian digital saja, namun fenomena ini lebih sering terjadi pada rangkaian digital karena besarnya arus switching sesaat pada rangkaian digital.
　　
Untuk menghilangkan potensi kebisingan dari sumber interferensi elektromagnetik, yang terbaik adalah memisahkan jalur analog “tenang” dari port I/O yang berisik. Untuk mencoba mencapai daya impedansi rendah dan jaringan ground, induktansi kabel sirkuit digital harus diminimalkan, dan kopling kapasitif dari sirkuit analog harus diminimalkan.
　　
03

Kesimpulan

Setelah rentang digital dan analog ditentukan, perutean yang hati-hati sangat penting untuk keberhasilan PCB. Strategi pengkabelan biasanya diperkenalkan kepada semua orang sebagai aturan praktis, karena sulit untuk menguji keberhasilan produk di lingkungan laboratorium. Oleh karena itu, meskipun terdapat kesamaan dalam strategi pengkabelan pada rangkaian digital dan analog, perbedaan dalam strategi pengkabelan keduanya harus dikenali dan ditanggapi dengan serius.