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

ინჟინერიის სფეროში ციფრული დიზაინერების და ციფრული მიკროსქემის დიზაინის ექსპერტების რაოდენობა მუდმივად იზრდება, რაც ასახავს ინდუსტრიის განვითარების ტენდენციას. მიუხედავად იმისა, რომ ციფრულ დიზაინზე აქცენტმა ელექტრონულ პროდუქტებში მნიშვნელოვანი მოვლენები გამოიწვია, ის მაინც არსებობს და ყოველთვის იქნება გარკვეული მიკროსქემის დიზაინი, რომელიც ინტერფეისს ანალოგთან ან რეალურ გარემოშია. ანალოგურ და ციფრულ სფეროებში გაყვანილობის სტრატეგიებს აქვთ გარკვეული მსგავსება, მაგრამ როდესაც გსურთ უკეთესი შედეგის მიღება, მათი სხვადასხვა გაყვანილობის სტრატეგიების გამო, მარტივი წრეების გაყვანილობის დიზაინი აღარ არის ოპტიმალური გამოსავალი.

ამ სტატიაში განხილულია PCB გაყვანილობით გამოწვეული ძირითადი მსგავსებები და განსხვავებები ანალოგურ და ციფრულ გაყვანილობას შორის, შემოვლითი კონდენსატორების, ელექტრომომარაგების, გრუნტის დიზაინის, ძაბვის შეცდომების და ელექტრომაგნიტური ჩარევის (EMI) თვალსაზრისით.

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

ანალოგური გაყვანილობის დიზაინში, შემოვლითი კონდენსატორები, როგორც წესი, გამოიყენება ელექტრომომარაგების მაღალი სიხშირის სიგნალების გვერდის ავლით. თუ შემოვლითი კონდენსატორები არ დაემატა, ამ მაღალი სიხშირის სიგნალებმა შეიძლება შეიტანონ მგრძნობიარე ანალოგური ჩიპები ელექტრომომარაგების ქინძისთავებით. საერთოდ, ამ მაღალი სიხშირის სიგნალების სიხშირე აღემატება ანალოგური მოწყობილობების უნარს მაღალი სიხშირის სიგნალების ჩახშობის მიზნით. თუ შემოვლითი კონდენსატორი არ გამოიყენება ანალოგურ წრეში, ხმაური შეიძლება დაინერგოს სიგნალის გზაზე და უფრო სერიოზულ შემთხვევებში, ეს შეიძლება გამოიწვიოს ვიბრაცია.

ანალოგური და ციფრული PCB დიზაინში, შემოვლითი ან განლაგების კონდენსატორები (0.1UF) უნდა განთავსდეს რაც შეიძლება ახლოს მოწყობილობასთან. ელექტროენერგიის მიწოდების განლაგების კონდენსატორი (10UF) უნდა განთავსდეს წრიული დაფის ელექტროგადამცემი შესასვლელში. ყველა შემთხვევაში, ამ კონდენსატორების ქინძისთავები უნდა იყოს მოკლე.

დიაგრამა 2 - ში მიკროსქემის დაფაზე, სხვადასხვა მარშრუტები გამოიყენება ენერგიისა და მიწისქვეშა მავთულის მარშრუტისთვის. ამ არასათანადო თანამშრომლობის გამო, წრიული დაფაზე ელექტრონული კომპონენტები და სქემები უფრო მეტად ექვემდებარება ელექტრომაგნიტურ ჩარევას.

ნახაზის 3 -ის ერთ პანელში, მიკროსქემის დაფაზე მდებარე კომპონენტების სიმძლავრე და მიწის მავთულები ერთმანეთთან ახლოსაა. ელექტროგადამცემი ხაზის და მიწის ხაზის შესაბამისი თანაფარდობა ამ წრეში, როგორც ეს მოცემულია სურათი 2 -ში. ელექტრონული კომპონენტებისა და სქემების ალბათობა, რომელიც ექვემდებარება ელექტრომაგნიტურ ჩარევას (EMI), მცირდება 679/12.8 ჯერ ან დაახლოებით 54 ჯერ.
　　
ციფრული მოწყობილობებისთვის, როგორიცაა კონტროლერები და პროცესორები, ასევე საჭიროა კონდენსატორების განადგურება, მაგრამ სხვადასხვა მიზეზის გამო. ამ კონდენსატორების ერთი ფუნქციაა იმოქმედოს როგორც "მინიატურული" ბრალდების ბანკი.

ციფრულ სქემებში, ჩვეულებრივ, დიდი რაოდენობით დენი საჭიროა კარიბჭის მდგომარეობის გადართვის შესასრულებლად. მას შემდეგ, რაც გარდამავალი დენების გადართვა წარმოიქმნება ჩიპზე გადართვის დროს და გადის მიკროსქემის საშუალებით, ხელსაყრელია დამატებითი "სათადარიგო" გადასახადი. თუ გადართვის მოქმედების შესრულებისას საკმარისი გადასახადი არ არის, ელექტრომომარაგების ძაბვა მნიშვნელოვნად შეიცვლება. ძაბვის ძალიან ბევრი ცვლილება გამოიწვევს ციფრული სიგნალის დონის გაურკვევლ მდგომარეობაში შესვლას და შეიძლება გამოიწვიოს ციფრული მოწყობილობის სახელმწიფო აპარატი არასწორად ფუნქციონირება.

მიკროსქემის დაფის კვალის საშუალებით გადართვა გამოიწვევს ძაბვის შეცვლას, ხოლო მიკროსქემის დაფის კვალი აქვს პარაზიტული ინდუქცია. შემდეგი ფორმულა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ძაბვის ცვლილების გამოსათვლელად: v = ldi/dt. მათ შორის: V = ძაბვის შეცვლა, L = წრიული დაფის კვალი ინდუქცია, DI = მიმდინარე ცვლილება კვალი, DT = მიმდინარე შეცვლის დრო.
　　
ამრიგად, მრავალი მიზეზის გამო, უმჯობესია გამოიყენოთ შემოვლითი (ან განადგურების) კონდენსატორები ელექტრომომარაგებაში ან აქტიური მოწყობილობების ელექტრომომარაგების ქინძისთავებზე.

დენის კაბელი და მიწისქვეშა მავთულები ერთად უნდა იყოს გადახურული

დენის კაბელის და მიწის მავთულის პოზიცია კარგად შეესაბამება ელექტრომაგნიტური ჩარევის შესაძლებლობას. თუ ელექტროგადამცემი ხაზი და სახმელეთო ხაზი სათანადოდ არ შეესაბამება, შეიქმნება სისტემის მარყუჟი და სავარაუდოდ წარმოიქმნება ხმაური.

PCB დიზაინის მაგალითი, სადაც ელექტროგადამცემი ხაზი და სახმელეთო ხაზი სწორად არ არის შესაფერისი, ნაჩვენებია სურათი 2 -ში. ამ მიკროსქემის დაფაზე, შემუშავებული მარყუჟის არეა 697cm². ნახაზის 3 -ში ნაჩვენები მეთოდის გამოყენებით, შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს გამოსხივებული ხმაურის ჩართვა ან გამორთვა მიკროსქემის დაფაზე, რომელიც იწვევს ძაბვას მარყუჟში.

განსხვავება ანალოგურ და ციფრული გაყვანილობის სტრატეგიებს შორის

▍ მიწის თვითმფრინავი პრობლემაა

მიკროსქემის გაყვანილობის ძირითადი ცოდნა გამოიყენება როგორც ანალოგური, ასევე ციფრული სქემებისთვის. ძირითადი წესია უწყვეტი მიწის თვითმფრინავის გამოყენება. ეს საღი აზრი ამცირებს ციფრულ სქემებში DI/DT (დენის შეცვლას) ეფექტს, რაც ცვლის გრუნტის პოტენციალს და იწვევს ხმაურს ანალოგურ სქემებში.

ციფრული და ანალოგური სქემების გაყვანილობის ტექნიკა ძირითადად ერთნაირია, ერთი გამონაკლისით. ანალოგური სქემებისთვის, კიდევ ერთი საკითხი უნდა აღინიშნოს, ანუ ციფრული სიგნალის ხაზები და მარყუჟები შეინახეთ მიწის თვითმფრინავში რაც შეიძლება შორს ანალოგური სქემებიდან. ამის მიღწევა შესაძლებელია ანალოგური გრუნტის თვითმფრინავის სისტემის გრუნტის კავშირთან დაკავშირება ცალკე, ან ანალოგური წრის განთავსებით მიკროსქემის დაფის შორეულ ბოლოში, რაც ხაზის დასასრულია. ეს კეთდება იმისათვის, რომ შეინარჩუნოს გარე ჩარევა სიგნალის გზაზე მინიმუმამდე.

ამის გაკეთება არ არის საჭირო ციფრული სქემებისთვის, რომელსაც უპრობლემოდ მოითმენს უამრავ ხმაურს გრუნტის თვითმფრინავში.

სურათი 4 (მარცხნივ) იზოლირებს ციფრული გადართვის მოქმედებას ანალოგური წრისგან და ჰყოფს მიკროსქემის ციფრული და ანალოგური ნაწილები. (მარჯვნივ) მაღალი სიხშირე და დაბალი სიხშირე მაქსიმალურად უნდა იყოს განცალკევებული, ხოლო მაღალი სიხშირის კომპონენტები ახლოს უნდა იყოს მიკროსქემის დაფის კონექტორებთან.

სურათი 5 განლაგება PCB– ზე ორი ახლო კვალი, ადვილია პარაზიტული ტევადობის შექმნა. ამ ტიპის ტევადობის არსებობის გამო, ერთ კვალზე სწრაფი ძაბვის ცვლილებამ შეიძლება წარმოქმნას მიმდინარე სიგნალი მეორე კვალიზე.

სურათი 6 თუ თქვენ ყურადღებას არ აქცევთ კვალის განთავსებას, PCB- ში მოცემულ კვალი შეიძლება წარმოქმნას ხაზის ინდუქცია და ურთიერთდახმარების ინდუქცია. ეს პარაზიტული ინდუქცია ძალიან საზიანოა სქემების მუშაობისთვის, ციფრული გადართვის სქემების ჩათვლით.

Comcontonomponent ადგილმდებარეობა

როგორც ზემოთ აღინიშნა, PCB- ს თითოეულ დიზაინში უნდა განცალკევდეს მიკროსქემის ხმაური და "მშვიდი" ნაწილი (არა-ხმაურის ნაწილი). საერთოდ, ციფრული სქემები "მდიდარია" ხმაურით და ხმაურისადმი მგრძნობიარეა (რადგან ციფრულ სქემებს აქვთ უფრო დიდი ძაბვის ხმაურის ტოლერანტობა); პირიქით, ანალოგური სქემების ძაბვის ხმაურის ტოლერანტობა გაცილებით მცირეა.

ამ ორიდან, ანალოგური სქემები ყველაზე მგრძნობიარეა ხმაურის გადართვისთვის. შერეული სიგნალის სისტემის გაყვანილობისას, ეს ორი სქემა უნდა გამოყოფილიყო, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 4-ში.
　　
▍parasitic კომპონენტები, რომლებიც წარმოიქმნება PCB დიზაინით

ორი ძირითადი პარაზიტული ელემენტი, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს პრობლემები, ადვილად იქმნება PCB დიზაინში: პარაზიტული ტევადობა და პარაზიტული ინდუქცია.

წრიული დაფის დიზაინის შექმნისას, ერთმანეთთან ახლოს ორი კვალი განთავსება წარმოქმნის პარაზიტულ ტევადობას. ამის გაკეთება შეგიძლიათ: ორ სხვადასხვა ფენაზე, მოათავსეთ ერთი კვალი სხვა კვალის თავზე; ან იმავე ფენაზე, მოათავსეთ ერთი კვალი სხვა კვალის გვერდით, როგორც ეს მოცემულია ნახაზზე 5.
　　
ამ ორი კვალი კონფიგურაციაში, ძაბვის დროთა განმავლობაში (DV/DT) ერთმა კვალი შეიძლება გამოიწვიოს სხვა კვალი. თუ სხვა კვალი არის მაღალი წინაღობა, ელექტრული ველის მიერ წარმოქმნილი დენი გადაკეთდება ძაბვაში.
　　
სწრაფი ძაბვის ტრანზიტები ყველაზე ხშირად გვხვდება ანალოგური სიგნალის დიზაინის ციფრულ მხარეს. თუ სწრაფი ძაბვის ტრანზიტორების კვალი ახლოსაა მაღალი წინაღობის ანალოგურ კვალიზე, ეს შეცდომა სერიოზულად იმოქმედებს ანალოგური წრის სიზუსტეზე. ამ გარემოში, ანალოგურ სქემებს აქვთ ორი უარყოფითი მხარე: მათი ხმაურის ტოლერანტობა გაცილებით დაბალია, ვიდრე ციფრული სქემები; და მაღალი წინაღობის კვალი უფრო ხშირია.
　　
შემდეგი ორი ტექნიკის ერთ -ერთი გამოყენებით შეიძლება შეამციროს ეს ფენომენი. ყველაზე ხშირად გამოყენებული ტექნიკაა ტევადობის განტოლების მიხედვით კვალი შორის ზომის შეცვლა. შეცვლის ყველაზე ეფექტური ზომა არის მანძილი ორ კვალს შორის. უნდა აღინიშნოს, რომ ცვლადი D არის ტევადობის განტოლების მნიშვნელი. როგორც D იზრდება, capacitive რეაგირება შემცირდება. კიდევ ერთი ცვლადი, რომელიც შეიძლება შეიცვალოს, არის ორი კვალი. ამ შემთხვევაში, სიგრძე L მცირდება და ასევე შემცირდება capacitive რეაგირება ორ კვალს შორის.
　　
კიდევ ერთი ტექნიკაა ამ ორ კვალს შორის მიწის მავთულის განთავსება. სახმელეთო მავთულები დაბალი წინაღობაა და მსგავსი კვალი კიდევ ერთი კვალი შეამცირებს ჩარევის ელექტრო ველს, როგორც ეს მოცემულია ნახაზზე 5.
　　
მიკროსქემის ფორუმში პარაზიტული ინდუქციის პრინციპი მსგავსია პარაზიტული ტევადობის შესაბამისად. ეს არის ასევე ორი კვალი. ორ სხვადასხვა ფენაზე, მოათავსეთ ერთი კვალი სხვა კვალის თავზე; ან იმავე ფენაზე, მოათავსეთ ერთი კვალი მეორეზე, როგორც ეს მოცემულია ნახაზზე 6.

ამ ორი გაყვანილობის კონფიგურაციაში, დროთა განმავლობაში კვალი, მიმდინარე ცვლილება (DI/DT), ამ კვალის ინდუქციის გამო, წარმოქმნის ძაბვას იმავე კვალზე; და ურთიერთდახმარების არსებობის გამო, იგი პროპორციული დენი წარმოიქმნება სხვა კვალი. თუ ძაბვის შეცვლა პირველ კვალზე საკმარისად დიდია, ჩარევამ შეიძლება შეამციროს ციფრული წრის ძაბვის ტოლერანტობა და გამოიწვიოს შეცდომები. ეს ფენომენი არა მხოლოდ ციფრულ სქემებში გვხვდება, არამედ ეს ფენომენი ციფრულ სქემებში უფრო ხშირია ციფრული სქემების გამო, ციფრული სქემების დიდი მყისიერი გადართვის გამო.
　　
ელექტრომაგნიტური ჩარევის წყაროებიდან პოტენციური ხმაურის აღმოსაფხვრელად, უმჯობესია "მშვიდი" ანალოგური ხაზების გამოყოფა ხმაურიანი I/O პორტებიდან. დაბალი წინაღობის სიმძლავრისა და სახმელეთო ქსელის მისაღწევად, ციფრული მიკროსქემის მავთულის ინდუქცია უნდა შემცირდეს, ხოლო ანალოგური სქემების capacitive დაწყვილება უნდა შემცირდეს.
　　
03

დასკვნა

ციფრული და ანალოგური დიაპაზონის დადგენის შემდეგ, ფრთხილად მარშრუტიზაცია აუცილებელია წარმატებული PCB- სთვის. გაყვანილობის სტრატეგია, როგორც წესი, ყველას ეცნობა, როგორც წესი, რადგან ძნელია პროდუქტის საბოლოო წარმატების შემოწმება ლაბორატორიულ გარემოში. ამრიგად, ციფრული და ანალოგური სქემების გაყვანილობის სტრატეგიების მსგავსების მიუხედავად, მათი გაყვანილობის სტრატეგიების განსხვავებები სერიოზულად უნდა იქნას აღიარებული და მიღებული.