מספר המעצבים הדיגיטליים ומומחי תכנון הלוח הדיגיטלי בתחום ההנדסה הולך וגדל כל הזמן, המשקף את מגמת הפיתוח של הענף. למרות שהדגש על עיצוב דיגיטלי הביא לפיתוחים גדולים במוצרים אלקטרוניים, הוא עדיין קיים, ותמיד יהיו כמה עיצובים במעגלים המתממשקים לסביבות אנלוגיות או אמיתיות. לאסטרטגיות חיווט בשדות האנלוגיים והדיגיטליים יש כמה קווי דמיון, אך כאשר אתה רוצה להשיג תוצאות טובות יותר, בגלל אסטרטגיות החיווט השונות שלהן, עיצוב חיווט מעגלים פשוט הוא כבר לא הפיתרון האופטימלי.
מאמר זה דן בדמיון הבסיסי וההבדלים בין חיווט אנלוגי לדיגיטלי מבחינת קבלים מעקפים, ספקי כוח, תכנון קרקע, שגיאות מתח והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) הנגרמות כתוצאה מחיווט PCB.
מספר המעצבים הדיגיטליים ומומחי תכנון הלוח הדיגיטלי בתחום ההנדסה הולך וגדל כל הזמן, המשקף את מגמת הפיתוח של הענף. למרות שהדגש על עיצוב דיגיטלי הביא לפיתוחים גדולים במוצרים אלקטרוניים, הוא עדיין קיים, ותמיד יהיו כמה עיצובים במעגלים המתממשקים לסביבות אנלוגיות או אמיתיות. לאסטרטגיות חיווט בשדות האנלוגיים והדיגיטליים יש כמה קווי דמיון, אך כאשר אתה רוצה להשיג תוצאות טובות יותר, בגלל אסטרטגיות החיווט השונות שלהן, עיצוב חיווט מעגלים פשוט הוא כבר לא הפיתרון האופטימלי.
מאמר זה דן בדמיון הבסיסי וההבדלים בין חיווט אנלוגי לדיגיטלי מבחינת קבלים מעקפים, ספקי כוח, תכנון קרקע, שגיאות מתח והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) הנגרמות כתוצאה מחיווט PCB.
הוספת מעקף או ניתוק קבלים בלוח המעגל ומיקומם של קבלים אלה בלוח הם השכל הישר לעיצובים דיגיטליים ואנלוגיים. אך מעניין, הסיבות שונות.
בעיצוב חיווט אנלוגי, קבלים מעקפים משמשים בדרך כלל לעקיפת אותות תדרים גבוהים באספקת החשמל. אם לא מתווספים קבלים עוקפים, אותות תדרים גבוהים אלה עשויים להזין שבבים אנלוגיים רגישים דרך סיכות אספקת החשמל. באופן כללי, התדירות של אותות אלה בתדר גבוה עולה על היכולת של מכשירים אנלוגיים לדכא אותות בתדר גבוה. אם לא משתמשים בקבל העוקף במעגל האנלוגי, ניתן להציג רעש בנתיב האות, ובמקרים חמורים יותר, הוא עלול אפילו לגרום לרטט.
בעיצוב PCB אנלוגי ודיגיטלי יש למקם קבלים עוקפים או ניתוק (0.1UF) קרוב ככל האפשר למכשיר. יש למקם את קבלים של ספק הכוח (10UF) בכניסה לקו החשמל של לוח המעגל. בכל המקרים, סיכות הקבלים הללו צריכות להיות קצרות.
על לוח המעגל באיור 2, נתיבים שונים משמשים לנתב את חוטי הכוח והקרקע. בשל שיתוף פעולה לא תקין זה, יש סיכוי גבוה יותר שהרכיבים האלקטרוניים והמעגלים בלוח המעגל יהיו נתונים להפרעות אלקטרומגנטיות.
בלוח היחיד באיור 3, חוטי הכוח והקרקע לרכיבים בלוח המעגל קרובים זה לזה. היחס ההתאמה של קו החשמל וקו הקרקע בלוח מעגלים זה מתאים כפי שמוצג באיור 2. ההסתברות לרכיבים אלקטרוניים ומעגלים בלוח המעגל הנתונים להתערבות אלקטרומגנטית (EMI) מופחתת ב- 679/12.8 פעמים או בערך 54 פעמים.
עבור מכשירים דיגיטליים כמו בקרים ומעבדים, נדרשים גם קבלים ניתוק, אך מסיבות שונות. פונקציה אחת של קבלים אלה היא לפעול כבנק אישום "מיניאטורי".
במעגלים דיגיטליים נדרשת בדרך כלל כמות גדולה של זרם לביצוע מיתוג מצב שער. מכיוון שמיתוג זרמים חולפים נוצרים על השבב במהלך מעבר וזרימה דרך לוח המעגל, זה יתרון להיות בעלי מטענים "חילופים" נוספים. אם אין מספיק טעינה בעת ביצוע פעולות המיתוג, מתח אספקת החשמל ישתנה מאוד. שינוי מתח רב מדי יגרום לרמת האות הדיגיטלי להיכנס למצב לא בטוח, ועלול לגרום למכונת המדינה במכשיר הדיגיטלי לפעול בצורה לא נכונה.
זרם המיתוג הזורם דרך עקבות לוח המעגלים יגרום לשינוי המתח, ולתמודדות של מעגל יש השראות טפילית. ניתן להשתמש בנוסחה הבאה לחישוב שינוי המתח: v = ldi/dt. ביניהם: v = שינוי מתח, L = השראות עקבות לוח מעגל, di = שינוי זרם דרך העקבות, dt = זמן שינוי זרם.
לכן, מסיבות רבות, עדיף ליישם קבלים עוקפים (או ניתוק) באספקת החשמל או בסיכות אספקת החשמל של מכשירים פעילים.
יש לנתב את כבל החשמל וחוט האדמה
מיקום כבל החשמל וחוט הקרקע תואמים היטב כדי להפחית את האפשרות להתערבות אלקטרומגנטית. אם קו החשמל וקו הקרקע לא יתאימו כראוי, יתוכנן לולאת מערכת וכנראה שייווצר רעש.
דוגמה לעיצוב PCB בו קו החשמל וקו הקרקע אינם מתאימים כראוי מוצגת באיור 2. בלוח מעגל זה, שטח הלולאה המעוצב הוא 697 ס"מ². בשיטה המוצגת באיור 3, ניתן להפחית מאוד את האפשרות של רעש מקרין על לוח המעגל המעורר את הלוח המעורר בו.
ההבדל בין אסטרטגיות חיווט אנלוגיות לדיגיטליות
מטוס הקרקע הוא בעיה
הידע הבסיסי בחיווט לוח המעגלים חל על מעגלים אנלוגיים וגם דיגיטליים. כלל אצבע בסיסי הוא להשתמש במישור קרקע ללא הפרעה. השכל הישר הזה מקטין את השפעת DI/DT (שינוי בזרם עם הזמן) במעגלים דיגיטליים, המשנה את פוטנציאל הקרקע וגורם לרעש להיכנס למעגלים אנלוגיים.
טכניקות החיווט למעגלים דיגיטליים ואנלוגיים זהים בעצם, למעט אחד. עבור מעגלים אנלוגיים, יש עוד נקודה לציין, כלומר, לשמור על קווי האות הדיגיטליים ולולאות במישור הקרקע רחוק ככל האפשר מהמעגלים האנלוגיים. ניתן להשיג זאת על ידי חיבור מישור האדמה האנלוגי לחיבור הקרקע המערכת בנפרד, או הצבת המעגל האנלוגי בקצה הרחוק של לוח המעגל, שהוא סוף הקו. זה נעשה כדי לשמור על ההפרעה החיצונית בנתיב האות למינימום.
אין צורך לעשות זאת למעגלים דיגיטליים, שיכולים לסבול רעש רב במטוס הקרקע ללא בעיות.
איור 4 (משמאל) מבודד את פעולת המיתוג הדיגיטלי מהמעגל האנלוגי ומפריד בין החלקים הדיגיטליים והאנלוגיים של המעגל. (מימין) יש להפריד בין התדירות הגבוהה והתדירות הנמוכה ככל האפשר, ורכיבי התדר הגבוה צריכים להיות קרובים למחברי לוח המעגל.
איור 5 איור 5 פריסה שני עקבות קרובים ב- PCB, קל ליצור קיבול טפילי. בשל קיומו של קיבול מסוג זה, שינוי מתח מהיר על עקבות אחד יכול ליצור אות זרם על העקבות האחרות.
איור 6 אם אינך שם לב למיקום העקבות, העקבות ב- PCB עשויים לייצר השראות קו והשראות הדדיות. השראות טפילית זו מזיקה מאוד להפעלת מעגלים כולל מעגלי מיתוג דיגיטלי.
▍ מיקום רכיב
כאמור, בכל עיצוב PCB, יש להפריד בין חלק הרעש של המעגל והחלק "שקט" (חלק שאינו רעש). באופן כללי, מעגלים דיגיטליים הם "עשירים" ברעש ואינם רגישים לרעש (מכיוון שלמעגלים דיגיטליים יש סובלנות לרעש מתח גדול יותר); נהפוך הוא, סובלנות לרעש המתח של מעגלים אנלוגיים קטנה בהרבה.
מבין השניים, מעגלים אנלוגיים הם הרגישים ביותר להחלפת רעש. בחיווט של מערכת אות מעורב, יש להפריד בין שני מעגלים אלה, כפי שמוצג באיור 4.
▍ רכיבים פרסיטיים שנוצרו על ידי עיצוב PCB
שני אלמנטים טפיליים בסיסיים העלולים לגרום לבעיות נוצרים בקלות בעיצוב PCB: קיבול טפילי והשראות טפילית.
בעת תכנון לוח מעגלים, הנחת שני עקבות הקרובים זה לזה תייצר קיבול טפילי. אתה יכול לעשות זאת: בשתי שכבות שונות, מקם עקבות אחד על גבי העקבות האחרות; או באותה שכבה, הניחו עקבות אחד ליד העקבות האחרות, כפי שמוצג באיור 5.
בשתי תצורות עקבות אלה, שינויים במתח לאורך זמן (DV/DT) על עקבות אחד עשויים לגרום לזרם על העקבות האחרות. אם העקבות האחרים הם 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 אנלוגיים בעלי עכבה גבוהה, שגיאה זו תשפיע ברצינות על הדיוק של המעגל האנלוגי. בסביבה זו, למעגלים אנלוגיים יש שני חסרונות: סובלנות הרעש שלהם נמוכה בהרבה מזו של מעגלים דיגיטליים; ועקבות עכבה גבוהות נפוצות יותר.
שימוש באחת משתי הטכניקות הבאות יכול להפחית תופעה זו. הטכניקה הנפוצה ביותר היא לשנות את הגודל בין עקבות בהתאם למשוואת הקיבול. הגודל היעיל ביותר לשינוי הוא המרחק בין שני העקבות. יש לציין כי המשתנה D נמצא במכנה של משוואת הקיבול. ככל ש- D גדל, התגובה הקיבולית תפחת. משתנה נוסף שניתן לשנות הוא אורך שני העקבות. במקרה זה, האורך L פוחת, והתגובה הקיבולית בין שני העקבות תקטן גם כן.
טכניקה נוספת היא להניח חוט קרקע בין שני העקבות הללו. חוט הקרקע הוא עכבה נמוכה, והוספת עקבות נוספים כמו זה תחליש את השדה החשמלי ההפרעות, כפי שמוצג באיור 5.
העיקרון של השראות טפילית בלוח המעגלים דומה לזה של קיבול טפילי. זה גם לפרוש שני עקבות. בשתי שכבות שונות, הניחו עקבות אחד על גבי העקבות האחרות; או באותה שכבה, הניחו עקבות אחד ליד השנייה, כפי שמוצג באיור 6.
בשתי תצורות חיווט אלה, השינוי הנוכחי (DI/DT) של עקבות עם הזמן, בשל השראות של עקבות זה, ייצר מתח באותו זכר; ובשל קיומו של השראות הדדית, הוא נוצר זרם פרופורציונאלי על העקבות האחרות. אם שינוי המתח בעקבות הראשון גדול מספיק, הפרעה עשויה להפחית את סובלנות המתח של המעגל הדיגיטלי ולגרום לטעויות. תופעה זו לא מתרחשת רק במעגלים דיגיטליים, אלא שתופעה זו נפוצה יותר במעגלים דיגיטליים בגלל זרמי המיתוג המיידיים הגדולים במעגלים דיגיטליים.
כדי לבטל רעש פוטנציאלי ממקורות הפרעות אלקטרומגנטיות, עדיף להפריד בין קווים אנלוגיים "שקטים" ליציאות קלט/פלט רועשות. כדי לנסות להשיג רשת עכבה נמוכה ורשת קרקע, יש למזער את השראות חוטי המעגל הדיגיטלי, ויש למזער את הצימוד הקיבולי של מעגלים אנלוגיים.
03
מַסְקָנָה
לאחר קביעת הטווחים הדיגיטליים והאנלוגיים, ניתוב זהיר הוא חיוני למחשבי PCB מצליחים. אסטרטגיית חיווט בדרך כלל מוצגת לכולם ככלל אצבע, מכיוון שקשה לבדוק את ההצלחה הסופית של המוצר בסביבת מעבדה. לפיכך, למרות הדמיון באסטרטגיות החיווט של מעגלים דיגיטליים ואנלוגיים, יש להכיר בהבדלים באסטרטגיות החיווט שלהם ולהתייחס אליו ברצינות.
