מספר המעצבים הדיגיטליים ומומחי עיצוב המעגלים הדיגיטליים בתחום ההנדסה גדל ללא הרף, מה שמשקף את מגמת ההתפתחות של התעשייה. למרות שהדגש על עיצוב דיגיטלי הביא להתפתחויות גדולות במוצרים אלקטרוניים, הוא עדיין קיים, ותמיד יהיו כמה עיצובי מעגלים שמתממשקים עם סביבות אנלוגיות או אמיתיות. לאסטרטגיות חיווט בתחום האנלוגי והדיגיטלי יש כמה קווי דמיון, אך כאשר אתה רוצה להשיג תוצאות טובות יותר, בגלל אסטרטגיות החיווט השונות שלהן, עיצוב חיווט פשוט של מעגלים אינו עוד הפתרון האופטימלי.
מאמר זה דן בדמיון וההבדלים הבסיסיים בין חיווט אנלוגי ודיגיטלי במונחים של קבלים עוקפים, ספקי כוח, עיצוב הארקה, שגיאות מתח והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) הנגרמות מחיווט PCB.
מספר המעצבים הדיגיטליים ומומחי עיצוב המעגלים הדיגיטליים בתחום ההנדסה גדל ללא הרף, מה שמשקף את מגמת ההתפתחות של התעשייה. למרות שהדגש על עיצוב דיגיטלי הביא להתפתחויות גדולות במוצרים אלקטרוניים, הוא עדיין קיים, ותמיד יהיו כמה עיצובי מעגלים שמתממשקים עם סביבות אנלוגיות או אמיתיות. לאסטרטגיות חיווט בתחום האנלוגי והדיגיטלי יש כמה קווי דמיון, אך כאשר אתה רוצה להשיג תוצאות טובות יותר, בגלל אסטרטגיות החיווט השונות שלהן, עיצוב חיווט פשוט של מעגלים אינו עוד הפתרון האופטימלי.
מאמר זה דן בדמיון וההבדלים הבסיסיים בין חיווט אנלוגי ודיגיטלי במונחים של קבלים עוקפים, ספקי כוח, עיצוב הארקה, שגיאות מתח והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) הנגרמות מחיווט PCB.
הוספת קבלים מעקפים או ניתוקים בלוח המעגלים והמיקום של קבלים אלה על הלוח הם הגיון בריא עבור עיצובים דיגיטליים ואנלוגיים. אבל באופן מעניין, הסיבות שונות.
בתכנון חיווט אנלוגי, קבלים עוקפים משמשים בדרך כלל כדי לעקוף אותות בתדר גבוה על ספק הכוח. אם לא יתווספו קבלים עוקפים, אותות בתדר גבוה עלולים להיכנס לשבבים אנלוגיים רגישים דרך פיני ספק הכוח. באופן כללי, התדירות של אותות בתדר גבוה עולה על היכולת של מכשירים אנלוגיים לדכא אותות בתדר גבוה. אם לא נעשה שימוש בקבל המעקף במעגל האנלוגי, עלול להיווצר רעש בנתיב האות, ובמקרים חמורים יותר, הוא אף עלול לגרום לרטט.
בתכנון PCB אנלוגי ודיגיטלי, יש למקם קבלים מעקפים או ניתוק (0.1uF) קרוב ככל האפשר למכשיר. יש למקם את קבל ניתוק אספקת החשמל (10uF) בכניסה לקו החשמל של המעגל. בכל המקרים, הפינים של קבלים אלה צריכים להיות קצרים.
בלוח המעגלים באיור 2, מסלולים שונים משמשים לניתוב חוטי החשמל והארקה. בשל שיתוף פעולה לא תקין זה, סביר יותר שהרכיבים האלקטרוניים והמעגלים בלוח המעגלים יהיו נתונים להפרעות אלקטרומגנטיות.
בלוח הבודד של איור 3, חוטי החשמל והארקה לרכיבים בלוח המעגלים קרובים זה לזה. יחס ההתאמה של קו החשמל וקו ההארקה במעגל זה מתאים כפי שמוצג באיור 2. ההסתברות שרכיבים ומעגלים אלקטרוניים בלוח יהיו נתונים להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) מופחתת פי 679/12.8 או בערך 54 פעמים.
עבור מכשירים דיגיטליים כגון בקרים ומעבדים, נדרשים גם קבלים לניתוק, אך מסיבות שונות. תפקיד אחד של קבלים אלה הוא לפעול כבנק טעינה "מיניאטורי".
במעגלים דיגיטליים, נדרשת בדרך כלל כמות גדולה של זרם כדי לבצע מיתוג מצב שער. מכיוון שזרמים ארעיים מיתוג נוצרים על השבב במהלך המיתוג והזרימה דרך לוח המעגלים, כדאי להצטייד בחיובים "חילופיים" נוספים. אם אין מספיק טעינה בעת ביצוע פעולת המיתוג, מתח אספקת החשמל ישתנה מאוד. שינוי מתח רב מדי יגרום לרמת האות הדיגיטלית להיכנס למצב לא ודאי, ועלול לגרום למכונת המצב במכשיר הדיגיטלי לפעול באופן שגוי.
זרם המיתוג הזורם דרך עקבות המעגל יגרום לשינוי במתח, ולעקבות המעגל יש השראות טפילית. ניתן להשתמש בנוסחה הבאה כדי לחשב את שינוי המתח: V = LdI/dt. ביניהם: V = שינוי מתח, L = השראות עקבות מעגלים, dI = שינוי זרם דרך העקיבה, dt = זמן שינוי זרם.
לכן, מסיבות רבות, עדיף להחיל קבלים עוקפים (או ניתוק) בספק הכוח או בפינים של אספקת החשמל של מכשירים פעילים.
יש לנתב את כבל החשמל ואת חוט ההארקה יחד
המיקום של כבל החשמל וחוט ההארקה מתאימים היטב כדי להפחית את האפשרות של הפרעות אלקטרומגנטיות. אם קו החשמל וקו הקרקע אינם מתאימים כראוי, תתוכנן לולאת מערכת וסביר להניח שייווצר רעש.
דוגמה לתכנון PCB שבו קו החשמל וקו ההארקה אינם מתאימים כראוי מוצגת באיור 2. בלוח מעגל זה, שטח הלולאה המתוכנן הוא 697cm². באמצעות השיטה המוצגת באיור 3, ניתן להפחית במידה ניכרת את האפשרות של רעש מוקרן על או מחוצה ללוח המעגל הגורם למתח בלולאה.
ההבדל בין אסטרטגיות חיווט אנלוגיות ודיגיטליות
▍מישור ההארקה הוא בעיה
הידע הבסיסי של חיווט מעגלים ישים למעגלים אנלוגיים ודיגיטליים כאחד. כלל אצבע בסיסי הוא להשתמש במישור הארקה ללא הפרעה. השכל הישר הזה מפחית את אפקט dI/dt (שינוי בזרם עם הזמן) במעגלים דיגיטליים, אשר משנה את פוטנציאל ההארקה וגורם לרעש להיכנס למעגלים אנלוגיים.
טכניקות החיווט של מעגלים דיגיטליים ואנלוגיים זהים בעצם, למעט יוצא מן הכלל אחד. לגבי מעגלים אנלוגיים, יש לשים לב לנקודה נוספת, כלומר לשמור את קווי האות והלולאות הדיגיטליים במישור ההארקה רחוק ככל האפשר מהמעגלים האנלוגיים. ניתן להשיג זאת על ידי חיבור מישור ההארקה האנלוגי לחיבור ההארקה של המערכת בנפרד, או הצבת המעגל האנלוגי בקצה המרוחק של המעגל, שהוא קצה הקו. זה נעשה כדי לצמצם את ההפרעות החיצוניות בנתיב האותות למינימום.
אין צורך לעשות זאת עבור מעגלים דיגיטליים, אשר יכולים לסבול הרבה רעש במישור ההארקה ללא בעיות.
איור 4 (משמאל) מבודד את פעולת המיתוג הדיגיטלי מהמעגל האנלוגי ומפריד בין החלקים הדיגיטליים והאנלוגיים של המעגל. (מימין) יש להפריד בין התדר הגבוה והתדר הנמוך ככל האפשר, ורכיבי התדר הגבוה צריכים להיות קרובים למחברי המעגלים.
איור 5 פריסת שתי עקבות קרובות על ה-PCB, קל ליצור קיבול טפילי. בשל קיומו של קיבול מסוג זה, שינוי מתח מהיר במסלול אחד יכול ליצור אות זרם במסלול השני.
איור 6 אם לא תשים לב למיקום העקבות, העקבות ב-PCB עשויות לייצר השראות קו והשראות הדדית. השראות טפילית זו מזיקה מאוד לפעולת מעגלים כולל מעגלי מיתוג דיגיטליים.
▍מיקום הרכיב
כפי שצוין לעיל, בכל עיצוב PCB, יש להפריד את חלק הרעש של המעגל והחלק ה"שקט" (חלק שאינו רעש). באופן כללי, מעגלים דיגיטליים "עשירים" ברעש ואינם רגישים לרעש (מכיוון שלמעגלים דיגיטליים יש סובלנות גדולה יותר לרעשי מתח); להיפך, סבילות רעשי המתח של מעגלים אנלוגיים קטנה בהרבה.
מבין השניים, מעגלים אנלוגיים הם הרגישים ביותר לרעש מיתוג. בחיווט של מערכת אות מעורב, יש להפריד בין שני המעגלים הללו, כפי שמוצג באיור 4.
▍רכיבים טפילים שנוצרו על ידי עיצוב PCB
שני אלמנטים טפיליים בסיסיים שעלולים לגרום לבעיות נוצרים בקלות בתכנון PCB: קיבול טפילי והשראות טפילית.
בעת תכנון לוח מעגלים, הצבת שני עקבות קרוב זה לזה תיצור קיבול טפילי. אתה יכול לעשות זאת: על שתי שכבות שונות, מניחים עקבות אחת על גבי העקבה השנייה; או על אותה שכבה, הנח עקבה אחת ליד הרצועה השנייה, כפי שמוצג באיור 5.
בשתי תצורות עקבות אלה, שינויים במתח לאורך זמן (dV/dt) במסלול אחד עלולים לגרום לזרם במסלול השני. אם העקיבה השנייה היא עכבה גבוהה, הזרם שנוצר על ידי השדה החשמלי יומר למתח.
מעברי מתח מהירים מתרחשים לרוב בצד הדיגיטלי של עיצוב האות האנלוגי. אם העקבות עם מעברי מתח מהירים קרובים לעקבות אנלוגיות בעלות עכבה גבוהה, שגיאה זו תשפיע ברצינות על הדיוק של המעגל האנלוגי. בסביבה זו, למעגלים אנלוגיים יש שני חסרונות: סבילות הרעש שלהם נמוכה בהרבה מזו של מעגלים דיגיטליים; ועקבות עכבה גבוהה נפוצים יותר.
שימוש באחת משתי הטכניקות הבאות יכול להפחית תופעה זו. הטכניקה הנפוצה ביותר היא לשנות את הגודל בין המסלולים לפי משוואת הקיבול. הגודל היעיל ביותר לשינוי הוא המרחק בין שני העקבות. יש לשים לב שהמשתנה d נמצא במכנה של משוואת הקיבול. ככל ש-d גדל, התגובה הקיבולית תפחת. משתנה נוסף שניתן לשנות הוא אורך שתי העקבות. במקרה זה, האורך L יורד, וגם התגובה הקיבולית בין שתי העקבות תרד.
טכניקה נוספת היא הנחת חוט הארקה בין שתי העקבות הללו. חוט ההארקה הוא בעל עכבה נמוכה, והוספת עקבות נוספת כזו תחליש את השדה החשמלי ההפרעה, כפי שמוצג באיור 5.
העיקרון של השראות טפילית בלוח המעגלים דומה לזה של קיבול טפילי. זה גם לפרוש שני עקבות. על שתי שכבות שונות, הניחו עקבות אחת על גבי העקבה השנייה; או על אותה שכבה, הנח עקבה אחת ליד השנייה, כפי שמוצג באיור 6.
בשתי תצורות חיווט אלו, שינוי הזרם (dI/dt) של עקבות עם הזמן, עקב השראות של עקבות זו, יפיק מתח על אותו עקבות; ובשל קיומה של השראות הדדית, זה יהיה זרם פרופורציונלי נוצר על המסלול השני. אם שינוי המתח בעקיבה הראשונה גדול מספיק, הפרעות עלולות להפחית את סובלנות המתח של המעגל הדיגיטלי ולגרום לשגיאות. תופעה זו לא מתרחשת רק במעגלים דיגיטליים, אלא תופעה זו שכיחה יותר במעגלים דיגיטליים בגלל זרמי המיתוג המיידיים הגדולים במעגלים דיגיטליים.
כדי למנוע רעש פוטנציאלי ממקורות הפרעות אלקטרומגנטיות, עדיף להפריד קווים אנלוגיים "שקטים" מיציאות I/O רועשות. כדי לנסות להשיג רשת מתח ואדמה בעלת עכבה נמוכה, יש למזער את השראות של חוטי מעגל דיגיטלי, ולמזער את הצימוד הקיבולי של מעגלים אנלוגיים.
03
מַסְקָנָה
לאחר קביעת הטווחים הדיגיטליים והאנלוגיים, ניתוב זהיר חיוני ל-PCB מוצלח. אסטרטגיית חיווט מוצגת בדרך כלל לכולם ככלל אצבע, מכיוון שקשה לבדוק את ההצלחה הסופית של המוצר בסביבת מעבדה. לכן, למרות הדמיון באסטרטגיות החיווט של מעגלים דיגיטליים ואנלוגיים, יש להכיר ולהתייחס להבדלים באסטרטגיות החיווט שלהם ברצינות.