PCB დიზაინში, რატომ არის განსხვავება ანალოგურ წრესა და ციფრულ წრეს შორის ასე დიდი?

ციფრული დიზაინერების და ციფრული მიკროსქემის დიზაინის ექსპერტების რაოდენობა საინჟინრო სფეროში მუდმივად იზრდება, რაც ასახავს ინდუსტრიის განვითარების ტენდენციას. მიუხედავად იმისა, რომ ციფრულ დიზაინზე ხაზგასმამ გამოიწვია მნიშვნელოვანი განვითარება ელექტრონულ პროდუქტებში, ის მაინც არსებობს და ყოველთვის იქნება გარკვეული მიკროსქემის დიზაინი, რომელიც ურთიერთქმედებს ანალოგთან ან რეალურ გარემოსთან. ანალოგურ და ციფრულ ველებში გაყვანილობის სტრატეგიებს აქვთ გარკვეული მსგავსება, მაგრამ როდესაც გსურთ მიიღოთ უკეთესი შედეგები, მათი განსხვავებული გაყვანილობის სტრატეგიების გამო, მარტივი მიკროსქემის გაყვანილობის დიზაინი აღარ არის ოპტიმალური გადაწყვეტა.

ეს სტატია განიხილავს ძირითად მსგავსებებსა და განსხვავებებს ანალოგურ და ციფრულ გაყვანილობებს შორის შემოვლითი კონდენსატორების, კვების წყაროების, მიწის დიზაინის, ძაბვის შეცდომისა და ელექტრომაგნიტური ჩარევის (EMI) თვალსაზრისით, PCB გაყვანილობის გამო.

მიკროსქემის დაფაზე შემოვლითი ან გამორთვის კონდენსატორების დამატება და ამ კონდენსატორების მდებარეობა დაფაზე საღი აზრია ციფრული და ანალოგური დიზაინისთვის. მაგრამ საინტერესოა, რომ მიზეზები განსხვავებულია.

ანალოგური გაყვანილობის დიზაინში, შემოვლითი კონდენსატორები ჩვეულებრივ გამოიყენება ელექტრომომარაგების მაღალი სიხშირის სიგნალების გვერდის ავლით. თუ შემოვლითი კონდენსატორები არ დაემატება, ეს მაღალი სიხშირის სიგნალები შეიძლება შევიდეს მგრძნობიარე ანალოგურ ჩიპებში კვების წყაროს ქინძისთავით. ზოგადად, ამ მაღალი სიხშირის სიგნალების სიხშირე აღემატება ანალოგური მოწყობილობების უნარს, ჩაახშოს მაღალი სიხშირის სიგნალები. თუ შემოვლითი კონდენსატორი არ გამოიყენება ანალოგურ წრეში, შესაძლოა ხმაური შევიდეს სიგნალის გზაზე და უფრო სერიოზულ შემთხვევებში ვიბრაციაც კი გამოიწვიოს.

ანალოგური და ციფრული PCB დიზაინის დროს, შემოვლითი ან გამომყოფი კონდენსატორები (0.1uF) უნდა განთავსდეს რაც შეიძლება ახლოს მოწყობილობასთან. ელექტრომომარაგების გამყოფი კონდენსატორი (10uF) უნდა განთავსდეს ელექტროგადამცემი ხაზის შესასვლელთან. ყველა შემთხვევაში, ამ კონდენსატორების ქინძისთავები მოკლე უნდა იყოს.

ნახაზი 2-ის მიკროსქემის დაფაზე, სხვადასხვა მარშრუტები გამოიყენება დენის და დამიწების მავთულის გასატარებლად. ამ არასწორი თანამშრომლობის გამო, ელექტრონული კომპონენტები და სქემები მიკროსქემის დაფაზე უფრო მეტად ექვემდებარება ელექტრომაგნიტურ ჩარევას.

სურათი 3-ის ერთ პანელში, მიკროსქემის დაფაზე არსებული კომპონენტების დენის და დამიწების მავთული ერთმანეთთან ახლოს არის. ელექტროგადამცემი ხაზისა და მიწის ხაზის შესატყვისი თანაფარდობა ამ მიკროსქემის დაფაზე შესაბამისია, როგორც ეს ნაჩვენებია 2-ში. ელექტრომაგნიტური ჩარევის (EMI) ელექტრონული კომპონენტების და სქემების ალბათობა მცირდება 679/12.8-ჯერ ან დაახლოებით 54 ჯერ.
　　
ციფრული მოწყობილობებისთვის, როგორიცაა კონტროლერები და პროცესორები, ასევე საჭიროა კონდენსატორების გამოყოფა, მაგრამ განსხვავებული მიზეზების გამო. ამ კონდენსატორების ერთ-ერთი ფუნქციაა "მინიატურული" დამუხტვის ბანკის მოქმედება.

ციფრულ სქემებში, როგორც წესი, საჭიროა დიდი რაოდენობით დენი კარიბჭის მდგომარეობის გადართვის შესასრულებლად. მას შემდეგ, რაც გადართვის გარდამავალი დენები წარმოიქმნება ჩიპზე გადართვის დროს და მიედინება მიკროსქემის დაფაზე, ხელსაყრელია დამატებითი „სათადარიგო“ მუხტების არსებობა. თუ გადართვის მოქმედების შესრულებისას არ არის საკმარისი დამუხტვა, ელექტრომომარაგების ძაბვა მნიშვნელოვნად შეიცვლება. ძაბვის ძალიან დიდი ცვლილება გამოიწვევს ციფრული სიგნალის დონეს გაურკვეველ მდგომარეობაში გადასვლას და შეიძლება გამოიწვიოს ციფრულ მოწყობილობაში არსებული აპარატის არასწორად მუშაობა.

გადართვის დენი, რომელიც გადის მიკროსქემის დაფის კვალში, გამოიწვევს ძაბვის შეცვლას, ხოლო მიკროსქემის დაფის კვალს აქვს პარაზიტული ინდუქციურობა. ძაბვის ცვლილების გამოსათვლელად შეიძლება გამოვიყენოთ შემდეგი ფორმულა: V = LdI/dt. მათ შორის: V = ძაბვის ცვლილება, L = მიკროსქემის დაფის კვალი ინდუქციურობა, dI = დენის ცვლილება კვალში, dt = დენის შეცვლის დრო.
　　
ამიტომ, მრავალი მიზეზის გამო, უმჯობესია გამოიყენოთ შემოვლითი (ან გამორთვის) კონდენსატორები ელექტრომომარაგების ან აქტიური მოწყობილობების ელექტრომომარაგების ქინძისთავებზე.

დენის კაბელი და დამიწის მავთული ერთად უნდა იყოს გაყვანილი

ელექტრომაგნიტური ჩარევის შესაძლებლობის შესამცირებლად დენის კაბელის და დამიწის მავთულის პოზიცია კარგად არის შეხამებული. თუ ელექტროგადამცემი ხაზი და მიწის ხაზი არ არის სათანადოდ შეხამებული, შეიქმნება სისტემის მარყუჟი და სავარაუდოდ წარმოიქმნება ხმაური.

PCB-ის დიზაინის მაგალითი, სადაც ელექტროგადამცემი ხაზი და მიწის ხაზი არ არის სათანადოდ შეხამებული, ნაჩვენებია სურათზე 2. ამ მიკროსქემის დაფაზე, შემუშავებული მარყუჟის ფართობი არის 697 სმ². მე-3 სურათზე ნაჩვენები მეთოდის გამოყენებით, შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს მიკროსქემის დაფაზე ან გამორთვის გამოსხივებული ხმაურის შესაძლებლობა, რომელიც იწვევს ძაბვას მარყუჟში.

განსხვავება ანალოგური და ციფრული გაყვანილობის სტრატეგიებს შორის

▍სახმელეთო თვითმფრინავი პრობლემაა

მიკროსქემის დაფის გაყვანილობის ძირითადი ცოდნა გამოიყენება როგორც ანალოგური, ასევე ციფრული სქემებისთვის. ძირითადი წესი არის უწყვეტი სახმელეთო სიბრტყის გამოყენება. ეს საღი აზრი ამცირებს dI/dt (დენის ცვლილება დროში) ეფექტს ციფრულ სქემებში, რაც ცვლის მიწის პოტენციალს და იწვევს ხმაურის შეღწევას ანალოგურ სქემებში.

ციფრული და ანალოგური სქემების გაყვანილობის ტექნიკა ძირითადად იგივეა, ერთი გამონაკლისის გარდა. ანალოგური სქემებისთვის გასათვალისწინებელია კიდევ ერთი პუნქტი, ეს არის ციფრული სიგნალის ხაზები და მარყუჟები მიწის სიბრტყეში რაც შეიძლება შორს ანალოგური სქემებისგან. ამის მიღწევა შესაძლებელია ანალოგური დამიწების სიბრტყის სისტემის დამიწების კავშირთან ცალ-ცალკე შეერთებით, ან ანალოგური მიკროსქემის მოთავსებით მიკროსქემის დაფის შორეულ ბოლოში, რომელიც არის ხაზის ბოლო. ეს კეთდება იმისთვის, რომ სიგნალის გზაზე გარე ჩარევა მინიმუმამდე დარჩეს.

ამის გაკეთება არ არის საჭირო ციფრული სქემებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ უპრობლემოდ მოითმინონ დიდი ხმაური მიწის სიბრტყეზე.

ნახაზი 4 (მარცხნივ) იზოლირებს ციფრული გადართვის მოქმედებას ანალოგური წრედიდან და გამოყოფს მიკროსქემის ციფრულ და ანალოგურ ნაწილებს. (მარჯვნივ) მაღალი სიხშირე და დაბალი სიხშირე უნდა იყოს განცალკევებული მაქსიმალურად, ხოლო მაღალი სიხშირის კომპონენტები ახლოს უნდა იყოს მიკროსქემის დაფის კონექტორებთან.

სურათი 5 დაალაგეთ ორი მჭიდრო კვალი PCB-ზე, მარტივია პარაზიტული ტევადობის ფორმირება. ამ ტიპის ტევადობის არსებობის გამო, ძაბვის სწრაფ ცვლილებას ერთ კვალზე შეუძლია წარმოქმნას მიმდინარე სიგნალი მეორე კვალზე.

სურათი 6 თუ ყურადღებას არ მიაქცევთ კვალის განლაგებას, PCB-ში არსებულმა კვალმა შეიძლება გამოიწვიოს ხაზის ინდუქციურობა და ურთიერთ ინდუქციურობა. ეს პარაზიტული ინდუქცია ძალიან საზიანოა სქემების მუშაობისთვის, ციფრული გადართვის სქემების ჩათვლით.

▍ კომპონენტის ადგილმდებარეობა

როგორც ზემოთ აღინიშნა, PCB-ის თითოეულ დიზაინში, მიკროსქემის ხმაურის ნაწილი და "მშვიდი" ნაწილი (ხმაურის გარეშე ნაწილი) უნდა იყოს გამოყოფილი. ზოგადად რომ ვთქვათ, ციფრული სქემები "მდიდარია" ხმაურით და არ არის მგრძნობიარე ხმაურის მიმართ (რადგან ციფრულ სქემებს აქვთ უფრო დიდი ძაბვის ხმაურის ტოლერანტობა); პირიქით, ანალოგური სქემების ძაბვის ხმაურის ტოლერანტობა გაცილებით მცირეა.

ამ ორიდან, ანალოგური სქემები ყველაზე მგრძნობიარეა გადართვის ხმაურის მიმართ. შერეული სიგნალის სისტემის გაყვანილობაში ეს ორი წრე უნდა იყოს გამოყოფილი, როგორც ნაჩვენებია 4-ზე.
　　
▍პარაზიტული კომპონენტები, რომლებიც წარმოიქმნება PCB დიზაინით

ორი ძირითადი პარაზიტული ელემენტი, რომლებმაც შეიძლება პრობლემები გამოიწვიოს, ადვილად ყალიბდება PCB დიზაინში: პარაზიტული ტევადობა და პარაზიტული ინდუქციურობა.

მიკროსქემის დაპროექტებისას, ორი კვალი ერთმანეთთან ახლოს განთავსდება პარაზიტულ ტევადობას. ამის გაკეთება შეგიძლიათ: ორ განსხვავებულ ფენაზე დადეთ ერთი კვალი მეორე კვალზე; ან იმავე ფენაზე მოათავსეთ ერთი კვალი მეორე კვალის გვერდით, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 5.
　　
ამ ორ კვალის კონფიგურაციაში, ძაბვის ცვლილებამ დროთა განმავლობაში (dV/dt) ერთ კვალზე შეიძლება გამოიწვიოს დენი მეორე კვალზე. თუ სხვა კვალი მაღალი წინაღობაა, ელექტრული ველის მიერ წარმოქმნილი დენი გარდაიქმნება ძაბვაში.
　　
სწრაფი ძაბვის გარდამავალი ცვლილებები ყველაზე ხშირად ხდება ანალოგური სიგნალის დიზაინის ციფრულ მხარეს. თუ სწრაფი ძაბვის გარდამავალი კვალი ახლოსაა მაღალი წინაღობის ანალოგურ კვალთან, ეს შეცდომა სერიოზულად იმოქმედებს ანალოგური მიკროსქემის სიზუსტეზე. ამ გარემოში ანალოგურ სქემებს ორი მინუსი აქვთ: მათი ხმაურის ტოლერანტობა გაცილებით დაბალია, ვიდრე ციფრული სქემები; და მაღალი წინაღობის კვალი უფრო ხშირია.
　　
შემდეგი ორი ტექნიკიდან ერთ-ერთის გამოყენებამ შეიძლება შეამციროს ეს ფენომენი. ყველაზე ხშირად გამოყენებული ტექნიკა არის ზომის შეცვლა კვალს შორის ტევადობის განტოლების მიხედვით. ყველაზე ეფექტური ზომის შეცვლა არის მანძილი ორ კვალს შორის. უნდა აღინიშნოს, რომ ცვლადი d არის ტევადობის განტოლების მნიშვნელში. როგორც d იზრდება, ტევადობის რეაქტიულობა შემცირდება. კიდევ ერთი ცვლადი, რომელიც შეიძლება შეიცვალოს, არის ორი კვალის სიგრძე. ამ შემთხვევაში, სიგრძე L მცირდება და ასევე შემცირდება ტევადობის რეაქტიულობა ორ კვალს შორის.
　　
კიდევ ერთი ტექნიკაა ამ ორ კვალს შორის მიწის მავთულის გაყვანა. დამიწების მავთულს დაბალი წინაღობა აქვს და მსგავსი კვალის დამატება შეასუსტებს ჩარევის ელექტრულ ველს, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 5.
　　
მიკროსქემის დაფაში პარაზიტული ინდუქციურობის პრინციპი მსგავსია პარაზიტული ტევადობის. ასევე არის ორი კვალის დადება. ორ განსხვავებულ ფენაზე დადეთ ერთი კვალი მეორე კვალზე; ან იმავე ფენაზე, მოათავსეთ ერთი კვალი მეორის გვერდით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 6.

ამ ორ გაყვანილობის კონფიგურაციაში, კვალის მიმდინარე ცვლილება (dI/dt) დროთა განმავლობაში, ამ კვალის ინდუქციურობის გამო, წარმოქმნის ძაბვას იმავე კვალზე; და ორმხრივი ინდუქციურობის არსებობის გამო ის მეორე კვალზე წარმოიქმნება პროპორციული დენი. თუ ძაბვის ცვლილება პირველ კვალზე საკმარისად დიდია, ჩარევამ შეიძლება შეამციროს ციფრული წრედის ძაბვის ტოლერანტობა და გამოიწვიოს შეცდომები. ეს ფენომენი არ გვხვდება მხოლოდ ციფრულ სქემებში, მაგრამ ეს ფენომენი უფრო ხშირია ციფრულ სქემებში ციფრულ სქემებში დიდი მყისიერი გადართვის დენების გამო.
　　
ელექტრომაგნიტური ჩარევის წყაროებიდან პოტენციური ხმაურის აღმოსაფხვრელად, უმჯობესია გამოვყოთ "მშვიდი" ანალოგური ხაზები ხმაურიანი I/O პორტებისგან. დაბალი წინაღობის სიმძლავრისა და დამიწების ქსელის მისაღწევად, ციფრული მიკროსქემის მავთულის ინდუქციურობა უნდა იყოს მინიმუმამდე დაყვანილი, ხოლო ანალოგური სქემების ტევადობითი შეერთება მინიმუმამდე უნდა შემცირდეს.
　　
03

დასკვნა

ციფრული და ანალოგური დიაპაზონების განსაზღვრის შემდეგ, ფრთხილად მარშრუტიზაცია აუცილებელია წარმატებული PCB-სთვის. გაყვანილობის სტრატეგია, როგორც წესი, ყველას ეცნობა, როგორც წესი, რადგან ძნელია პროდუქტის საბოლოო წარმატების ტესტირება ლაბორატორიულ გარემოში. ამიტომ, ციფრული და ანალოგური სქემების გაყვანილობის სტრატეგიებში მსგავსების მიუხედავად, მათი გაყვანილობის სტრატეგიებში განსხვავებები უნდა იქნას აღიარებული და სერიოზულად.