Nella progettazione PCB, perché la differenza tra circuito analogico e circuito digitale è così grande?

Il numero di progettisti digitali ed esperti di progettazione di circuiti stampati digitali nel campo dell'ingegneria è in costante aumento, il che riflette la tendenza di sviluppo del settore. Sebbene l’enfasi sulla progettazione digitale abbia portato a importanti sviluppi nei prodotti elettronici, essa esiste ancora e ci saranno sempre progetti di circuiti che si interfacciano con ambienti analogici o reali. Le strategie di cablaggio nei campi analogico e digitale presentano alcune somiglianze, ma quando si desidera ottenere risultati migliori, a causa delle diverse strategie di cablaggio, la progettazione semplice del cablaggio del circuito non è più la soluzione ottimale.

Questo articolo discute le somiglianze e le differenze di base tra il cablaggio analogico e digitale in termini di condensatori di bypass, alimentatori, progettazione della terra, errori di tensione e interferenze elettromagnetiche (EMI) causate dal cablaggio PCB.

L'aggiunta di condensatori di bypass o di disaccoppiamento sulla scheda del circuito e la posizione di questi condensatori sulla scheda sono prassi comune per i progetti digitali e analogici. Ma, cosa interessante, le ragioni sono diverse.

Nella progettazione del cablaggio analogico, i condensatori di bypass vengono solitamente utilizzati per bypassare i segnali ad alta frequenza sull'alimentatore. Se non vengono aggiunti condensatori di bypass, questi segnali ad alta frequenza potrebbero entrare nei chip analogici sensibili attraverso i pin di alimentazione. In generale, la frequenza di questi segnali ad alta frequenza supera la capacità dei dispositivi analogici di sopprimere i segnali ad alta frequenza. Se il condensatore di bypass non viene utilizzato nel circuito analogico, nel percorso del segnale potrebbe essere introdotto del rumore e, nei casi più gravi, potrebbe anche causare vibrazioni.

Nella progettazione di PCB analogici e digitali, i condensatori di bypass o di disaccoppiamento (0,1uF) devono essere posizionati il più vicino possibile al dispositivo. Il condensatore di disaccoppiamento dell'alimentatore (10uF) deve essere posizionato all'ingresso della linea di alimentazione del circuito. In tutti i casi, i pin di questi condensatori dovrebbero essere corti.

Sul circuito stampato nella Figura 2 vengono utilizzati percorsi diversi per instradare i cavi di alimentazione e di terra. A causa di questa collaborazione impropria, i componenti elettronici e i circuiti sulla scheda hanno maggiori probabilità di essere soggetti a interferenze elettromagnetiche.

Nel pannello singolo della Figura 3, i fili di alimentazione e di terra dei componenti della scheda sono vicini tra loro. Il rapporto di corrispondenza tra la linea di alimentazione e la linea di terra in questo circuito è appropriato, come mostrato nella Figura 2. La probabilità che i componenti elettronici e i circuiti nel circuito siano soggetti a interferenze elettromagnetiche (EMI) è ridotta di 679/12,8 volte o circa 54 volte.
　　
Per i dispositivi digitali come controller e processori sono necessari anche condensatori di disaccoppiamento, ma per ragioni diverse. Una funzione di questi condensatori è quella di fungere da banco di carica “in miniatura”.

Nei circuiti digitali, solitamente è necessaria una grande quantità di corrente per eseguire la commutazione dello stato del gate. Poiché le correnti transitorie di commutazione vengono generate sul chip durante la commutazione e fluiscono attraverso il circuito, è vantaggioso disporre di cariche "di riserva" aggiuntive. Se non c'è abbastanza carica durante l'operazione di commutazione, la tensione di alimentazione cambierà notevolmente. Una variazione eccessiva di tensione farà sì che il livello del segnale digitale entri in uno stato incerto e potrebbe causare il funzionamento non corretto della macchina a stati nel dispositivo digitale.

La corrente di commutazione che scorre attraverso la traccia del circuito causerà una modifica della tensione e la traccia del circuito presenta un'induttanza parassita. Per calcolare la variazione di tensione è possibile utilizzare la seguente formula: V = LdI/dt. Tra questi: V = variazione di tensione, L = induttanza della traccia del circuito, dI = variazione di corrente attraverso la traccia, dt = tempo di variazione della corrente.
　　
Pertanto, per molte ragioni, è meglio applicare condensatori di bypass (o di disaccoppiamento) all'alimentatore o ai pin di alimentazione dei dispositivi attivi.

Il cavo di alimentazione e il filo di terra devono essere instradati insieme

La posizione del cavo di alimentazione e del filo di terra è ben adattata per ridurre la possibilità di interferenze elettromagnetiche. Se la linea elettrica e la linea di terra non sono abbinate correttamente, verrà progettato un circuito di sistema e probabilmente verrà generato rumore.

Un esempio di progettazione di un PCB in cui la linea di alimentazione e la linea di terra non sono abbinate correttamente è mostrato nella Figura 2. Su questo circuito, l'area del circuito progettata è 697 cm². Utilizzando il metodo illustrato nella Figura 3, è possibile ridurre notevolmente la possibilità che il rumore irradiato all'interno o all'esterno del circuito induca tensione nel circuito.

La differenza tra le strategie di cablaggio analogico e digitale

▍Il piano terra è un problema

La conoscenza di base del cablaggio dei circuiti stampati è applicabile sia ai circuiti analogici che a quelli digitali. Una regola pratica di base è utilizzare un piano di massa ininterrotto. Questo buon senso riduce l'effetto dI/dt (variazione della corrente nel tempo) nei circuiti digitali, che modifica il potenziale di terra e provoca l'ingresso di rumore nei circuiti analogici.

Le tecniche di cablaggio per i circuiti digitali e analogici sono sostanzialmente le stesse, con un'eccezione. Per i circuiti analogici, c'è un altro punto da notare, ovvero mantenere le linee e gli anelli del segnale digitale nel piano di massa il più lontano possibile dai circuiti analogici. Ciò può essere ottenuto collegando separatamente il piano di terra analogico alla connessione di terra del sistema o posizionando il circuito analogico all'estremità del circuito stampato, che è l'estremità della linea. Questo viene fatto per ridurre al minimo le interferenze esterne sul percorso del segnale.

Non è necessario farlo per i circuiti digitali, che possono tollerare senza problemi molto rumore sul piano di massa.

La Figura 4 (a sinistra) isola l'azione di commutazione digitale dal circuito analogico e separa le parti digitale e analogica del circuito. (Destra) L'alta frequenza e la bassa frequenza dovrebbero essere separate il più possibile e i componenti ad alta frequenza dovrebbero essere vicini ai connettori della scheda del circuito.

Figura 5 Disposizione di due tracce ravvicinate sul PCB, è facile che si formino capacità parassite. A causa dell'esistenza di questo tipo di capacità, un rapido cambiamento di tensione su una traccia può generare un segnale di corrente sull'altra traccia.

Figura 6 Se non si presta attenzione al posizionamento delle tracce, le tracce nel PCB possono produrre induttanza di linea e mutua induttanza. Questa induttanza parassita è molto dannosa per il funzionamento dei circuiti compresi i circuiti di commutazione digitale.

▍Posizione del componente

Come accennato in precedenza, nella progettazione di ciascun PCB, la parte rumorosa del circuito e la parte “silenziosa” (parte non rumorosa) dovrebbero essere separate. In generale, i circuiti digitali sono “ricchi” di rumore e sono insensibili al rumore (perché i circuiti digitali hanno una maggiore tolleranza al rumore di tensione); al contrario, la tolleranza al rumore di tensione dei circuiti analogici è molto minore.

Dei due, i circuiti analogici sono i più sensibili al rumore di commutazione. Nel cablaggio di un sistema a segnali misti, questi due circuiti dovrebbero essere separati, come mostrato nella Figura 4.
　　
▍Componenti parassiti generati dalla progettazione PCB

Due elementi parassiti di base che possono causare problemi si formano facilmente nella progettazione di PCB: capacità parassita e induttanza parassita.

Quando si progetta un circuito, posizionare due tracce una accanto all'altra genererà capacità parassita. Puoi farlo: su due livelli diversi, posiziona una traccia sopra l'altra traccia; oppure sullo stesso livello, posizionare una traccia accanto all'altra traccia, come mostrato nella Figura 5.
　　
In queste due configurazioni di traccia, le variazioni di tensione nel tempo (dV/dt) su una traccia possono causare corrente sull'altra traccia. Se l'altra traccia è ad alta impedenza, la corrente generata dal campo elettrico verrà convertita in tensione.
　　
I transitori di tensione rapidi si verificano più spesso sul lato digitale del progetto del segnale analogico. Se le tracce con transitori di tensione rapidi sono vicine a tracce analogiche ad alta impedenza, questo errore influenzerà seriamente la precisione del circuito analogico. In questo ambiente i circuiti analogici presentano due svantaggi: la loro tolleranza al rumore è molto inferiore a quella dei circuiti digitali; e le tracce ad alta impedenza sono più comuni.
　　
L'utilizzo di una delle due tecniche seguenti può ridurre questo fenomeno. La tecnica più comunemente utilizzata consiste nel modificare la dimensione tra le tracce in base all'equazione della capacità. La dimensione più efficace da modificare è la distanza tra le due tracce. Va notato che la variabile d è nel denominatore dell'equazione della capacità. All'aumentare d, la reattanza capacitiva diminuirà. Un'altra variabile che può essere modificata è la lunghezza delle due tracce. In questo caso la lunghezza L diminuisce e diminuirà anche la reattanza capacitiva tra le due tracce.
　　
Un'altra tecnica consiste nel posare un filo di terra tra queste due tracce. Il filo di terra è a bassa impedenza e l'aggiunta di un'altra traccia come questa indebolirà il campo elettrico di interferenza, come mostrato nella Figura 5.
　　
Il principio dell'induttanza parassita nel circuito è simile a quello della capacità parassita. È anche tracciare due tracce. Su due livelli diversi, posiziona una traccia sopra l'altra traccia; oppure sullo stesso livello, posiziona una traccia accanto all'altra, come mostrato nella Figura 6.

In queste due configurazioni di cablaggio, la variazione di corrente (dI/dt) di una traccia nel tempo, dovuta all'induttanza di questa traccia, genererà tensione sulla stessa traccia; e a causa dell'esistenza della mutua induttanza, sull'altra traccia verrà generata una corrente proporzionale. Se la variazione di tensione sulla prima traccia è sufficientemente ampia, l'interferenza può ridurre la tolleranza di tensione del circuito digitale e causare errori. Questo fenomeno non si verifica solo nei circuiti digitali, ma è più comune nei circuiti digitali a causa delle grandi correnti di commutazione istantanee nei circuiti digitali.
　　
Per eliminare il potenziale rumore derivante da fonti di interferenza elettromagnetica, è meglio separare le linee analogiche "silenziosi" dalle porte I/O rumorose. Per cercare di ottenere una rete di alimentazione e di terra a bassa impedenza, l'induttanza dei cavi del circuito digitale dovrebbe essere ridotta al minimo e l'accoppiamento capacitivo dei circuiti analogici dovrebbe essere ridotto al minimo.
　　
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Conclusione

Dopo aver determinato gli intervalli digitale e analogico, un routing accurato è essenziale per un PCB di successo. La strategia di cablaggio viene solitamente presentata a tutti come regola pratica, poiché è difficile testare il successo finale del prodotto in un ambiente di laboratorio. Pertanto, nonostante le somiglianze nelle strategie di cablaggio dei circuiti digitali e analogici, le differenze nelle rispettive strategie di cablaggio devono essere riconosciute e prese sul serio.