ПХД дизайнында аналогтық схема мен сандық схеманың айырмашылығы неге соншалықты үлкен?

Инженерлік саладағы цифрлық дизайнерлер мен цифрлық платаларды жобалау мамандарының саны үнемі өсіп келеді, бұл саланың даму тенденциясын көрсетеді. Цифрлық дизайнға баса назар аудару электронды өнімдерде үлкен жетістіктерге әкелгенімен, ол әлі де бар және әрқашан аналогтық немесе нақты орталармен интерфейс жасайтын кейбір схемалық конструкциялар болады. Аналогтық және цифрлық өрістердегі сымды қосу стратегияларының кейбір ұқсастықтары бар, бірақ жақсы нәтижелерге қол жеткізгіңіз келсе, олардың әртүрлі сым стратегияларына байланысты қарапайым тізбекті сым дизайны енді оңтайлы шешім емес.

Бұл мақалада айналма конденсаторлар, қуат көздері, жердегі дизайн, кернеу қателері және ПХД сымынан туындаған электромагниттік кедергі (EMI) тұрғысынан аналогтық және цифрлық сымдар арасындағы негізгі ұқсастықтар мен айырмашылықтар талқыланады.

Тізбек тақшасына айналмалы немесе ажырату конденсаторларын қосу және осы конденсаторлардың тақтадағы орналасуы цифрлық және аналогтық конструкциялар үшін жалпы мағынаға ие. Бірақ бір қызығы, себептері әртүрлі.

Аналогтық сымды жобалауда айналма конденсаторлар әдетте қуат көзіндегі жоғары жиілікті сигналдарды айналып өту үшін қолданылады. Егер айналып өту конденсаторлары қосылмаса, бұл жоғары жиілікті сигналдар қуат көзінің түйреуіштері арқылы сезімтал аналогтық чиптерге енуі мүмкін. Жалпы айтқанда, бұл жоғары жиілікті сигналдардың жиілігі аналогтық құрылғылардың жоғары жиілікті сигналдарды басу мүмкіндігінен асып түседі. Егер айналма конденсатор аналогтық тізбекте пайдаланылмаса, сигнал жолында шу пайда болуы мүмкін, ал одан да ауыр жағдайларда ол тіпті діріл тудыруы мүмкін.

Аналогтық және сандық ПХД дизайнында айналма немесе ажырату конденсаторлары (0,1 мкФ) құрылғыға мүмкіндігінше жақын орналастырылуы керек. Қуат көзін ажырататын конденсаторды (10 мкФ) электр тақшасының электр желісінің кіреберісіне қою керек. Барлық жағдайларда бұл конденсаторлардың түйреуіштері қысқа болуы керек.

2-суреттегі схемалық тақтада қуат және жерге тұйықтау сымдарын бағыттау үшін әртүрлі бағыттар қолданылады. Осы дұрыс емес әрекеттестікке байланысты платадағы электрондық компоненттер мен схемалар электромагниттік кедергіге көбірек ұшырайды.

3-суреттегі жалғыз панельде схемалық платадағы компоненттерге қуат және жерге қосу сымдары бір-біріне жақын орналасқан. Осы схемалық платадағы электр желісі мен жерге қосу желісінің сәйкестік арақатынасы 2-суретте көрсетілгендей сәйкес келеді. Электр тақшасындағы электрондық компоненттер мен тізбектердің электромагниттік кедергіге (EMI) ұшырау ықтималдығы 679/12,8 есе азаяды немесе шамамен 54 рет.
　　
Контроллер мен процессорлар сияқты сандық құрылғылар үшін ажырату конденсаторлары да қажет, бірақ әртүрлі себептермен. Бұл конденсаторлардың бір функциясы «миниатюралық» заряд банкі ретінде әрекет ету болып табылады.

Цифрлық тізбектерде әдетте қақпа күйін ауыстыруды орындау үшін токтың үлкен мөлшері қажет. Коммутациялық өтпелі токтар коммутация кезінде микросхемада пайда болатындықтан және тақша арқылы ағып кетеді, қосымша «қосалқы» зарядтардың болуы тиімді. Ауыстыру әрекетін орындау кезінде заряд жеткіліксіз болса, қуат көзінің кернеуі айтарлықтай өзгереді. Кернеудің тым көп өзгеруі сандық сигнал деңгейінің белгісіз күйге өтуіне себеп болады және цифрлық құрылғыдағы күй машинасының дұрыс жұмыс істемеуіне себеп болуы мүмкін.

Схема тақшасы арқылы өтетін коммутациялық ток кернеудің өзгеруіне әкеледі, ал схеманың ізі паразиттік индуктивтілікке ие болады. Кернеудің өзгеруін есептеу үшін келесі формуланы қолдануға болады: V = LdI/dt. Олардың ішінде: V = кернеудің өзгеруі, L = схеманың индуктивтілігі, dI = із арқылы өтетін токтың өзгеруі, dt = токтың өзгеру уақыты.
　　
Сондықтан көптеген себептерге байланысты айналмалы (немесе ажырату) конденсаторларды қуат көзінде немесе белсенді құрылғылардың қуат көздерінде қолданған дұрыс.

Қуат сымы мен жерге қосу сымы бірге жүргізілуі керек

Электромагниттік кедергі мүмкіндігін азайту үшін қуат сымы мен жерге қосу сымының орналасуы жақсы сәйкес келеді. Егер электр желісі мен жер желісі дұрыс сәйкес келмесе, жүйе контуры жобаланады және шу пайда болуы мүмкін.

Қуат желісі мен жер желісі дұрыс сәйкес келмейтін ПХД дизайнының мысалы 2-суретте көрсетілген. Бұл схема тақтасында жобаланған контур аумағы 697 см². 3-суретте көрсетілген әдісті қолдана отырып, контурдағы кернеуді индукциялайтын платадағы немесе одан тыс сәулеленген шудың мүмкіндігін айтарлықтай азайтуға болады.

Аналогтық және цифрлық сымды қосу стратегияларының айырмашылығы

▍Жердегі жазықтық проблема болып табылады

Тақта сымдары туралы негізгі білім аналогтық және сандық тізбектерге де қолданылады. Негізгі ереже - үздіксіз жер ұшағын пайдалану. Бұл жалпы мағына цифрлық тізбектердегі dI/dt (уақыт бойынша токтың өзгеруі) әсерін азайтады, бұл жердегі потенциалды өзгертеді және аналогтық тізбектерге шуылдың енуіне әкеледі.

Сандық және аналогтық тізбектерге арналған сымдарды қосу әдістері негізінен бірдей, тек бір қоспағанда. Аналогтық тізбектер үшін тағы бір ескеретін жайт бар, яғни жер жазықтығындағы цифрлық сигнал сызықтары мен контурларды аналогтық тізбектерден мүмкіндігінше алыс ұстаңыз. Бұған аналогтық жерге қосу жазықтығының жүйенің жерге қосылымына бөлек қосылуы немесе аналогтық схеманы желінің соңы болып табылатын платаның ең шеткі жағына қою арқылы қол жеткізуге болады. Бұл сигнал жолындағы сыртқы кедергілерді барынша азайту үшін жасалады.

Сандық схемалар үшін мұны істеудің қажеті жоқ, ол жердегі жазықтықта көптеген шуды проблемаларсыз көтере алады.

4-сурет (сол жақта) цифрлық коммутация әрекетін аналогтық схемадан оқшаулайды және схеманың цифрлық және аналогтық бөліктерін ажыратады. (Оң жақ) Жоғары жиілікті және төмен жиілікті мүмкіндігінше ажырату керек, ал жоғары жиілікті құрамдас бөліктер плата қосқыштарына жақын болуы керек.

5-сурет ПХД-да екі жақын ізді орналастырыңыз, паразиттік сыйымдылықты қалыптастыру оңай. Сыйымдылықтың мұндай түрінің болуына байланысты бір жолдағы кернеудің жылдам өзгеруі екінші жолдағы ток сигналын тудыруы мүмкін.

6-сурет Егер іздердің орналасуына назар аудармасаңыз, ПХД-дағы іздер желі индуктивтілігін және өзара индуктивтілікті тудыруы мүмкін. Бұл паразиттік индуктивтілік тізбектердің, соның ішінде цифрлық коммутациялық тізбектердің жұмысына өте зиянды.

▍Компоненттің орналасуы

Жоғарыда айтылғандай, әрбір ПХД дизайнында тізбектің шу бөлігі мен «тыныш» бөлігі (шуылсыз бөлігі) бөлінуі керек. Жалпы айтқанда, цифрлық тізбектер шуылға «бай» және шуға сезімтал емес (себебі цифрлық тізбектерде кернеудің шуылға төзімділігі жоғары); керісінше, аналогтық тізбектердің кернеу шуылына төзімділігі әлдеқайда аз.

Екеуінің ішінде аналогтық схемалар коммутация шуына ең сезімтал. Аралас сигналдық жүйенің сымдарында бұл екі тізбекті 4-суретте көрсетілгендей бөлу керек.
　　
▍ПХД дизайнымен жасалған паразиттік компоненттер

ПХД дизайнында проблемалар тудыруы мүмкін екі негізгі паразиттік элементтер оңай қалыптасады: паразиттік сыйымдылық және паразиттік индуктивтілік.

Тақтаны жобалау кезінде екі ізді бір-біріне жақын орналастыру паразиттік сыйымдылықты тудырады. Мұны істеуге болады: Екі түрлі қабатта бір жолды екінші іздің үстіне қойыңыз; немесе сол қабатта 5-суретте көрсетілгендей бір ізді екінші іздің жанына қойыңыз.
　　
Осы екі жол конфигурациясында бір жолдағы кернеудің уақыт бойынша өзгеруі (dV/dt) екінші жолдағы токты тудыруы мүмкін. Егер басқа із жоғары кедергі болса, электр өрісі тудыратын ток кернеуге айналады.
　　
Жылдам кернеу өтпелі кезеңдері көбінесе аналогтық сигнал дизайнының цифрлық жағында орын алады. Жылдам кернеу өтпелі іздері жоғары кедергілі аналогтық іздерге жақын болса, бұл қате аналогтық тізбектің дәлдігіне елеулі әсер етеді. Бұл ортада аналогтық схемалардың екі кемшілігі бар: олардың шуылға төзімділігі цифрлық тізбектерге қарағанда әлдеқайда төмен; және жоғары кедергі іздері жиі кездеседі.
　　
Төмендегі екі әдістің бірін пайдалану бұл құбылысты азайтуы мүмкін. Ең жиі қолданылатын әдіс - сыйымдылық теңдеуіне сәйкес жолдар арасындағы өлшемді өзгерту. Өзгертудің ең тиімді өлшемі - екі іздің арасындағы қашықтық. Айта кету керек, d айнымалысы сыйымдылық теңдеуінің бөлгішінде болады. d ұлғайған сайын сыйымдылық реактивтілігі азаяды. Өзгертуге болатын тағы бір айнымалы - екі жолдың ұзындығы. Бұл жағдайда L ұзындығы азаяды, ал екі із арасындағы сыйымдылық реактивтілігі де азаяды.
　　
Тағы бір әдіс - бұл екі іздің арасына жер сымын төсеу. Жерге қосылатын сымның кедергісі төмен және осы сияқты басқа ізді қосу 5-суретте көрсетілгендей интерференциялық электр өрісін әлсіретеді.
　　
Платадағы паразиттік индуктивтілік принципі паразиттік сыйымдылыққа ұқсас. Бұл сонымен қатар екі із қалдыру. Екі түрлі қабатта бір ізді екінші іздің үстіне қойыңыз; немесе сол қабатта 6-суретте көрсетілгендей бір ізді екіншісінің жанына қойыңыз.

Осы екі сым конфигурациясында осы іздің индуктивтілігіне байланысты іздің уақыт бойынша ағымдағы өзгеруі (dI/dt) сол ізде кернеуді тудырады; және өзара индуктивтіліктің болуына байланысты, ол басқа ізде пропорционалды ток пайда болады. Егер бірінші жолдағы кернеудің өзгеруі жеткілікті үлкен болса, кедергі цифрлық тізбектің кернеуге төзімділігін төмендетіп, қателерді тудыруы мүмкін. Бұл құбылыс тек цифрлық тізбектерде ғана болмайды, бірақ бұл құбылыс сандық тізбектерде үлкен лездік коммутациялық токтар болғандықтан сандық тізбектерде жиі кездеседі.
　　
Электромагниттік кедергі көздерінен болатын ықтимал шуды жою үшін шулы енгізу/шығару порттарынан «тыныш» аналогтық желілерді бөліп алған дұрыс. Төмен кедергісі бар қуат пен жердегі желіге қол жеткізуге тырысу үшін цифрлық тізбек сымдарының индуктивтілігін барынша азайту керек, ал аналогтық тізбектердің сыйымдылық байланысын азайту керек.
　　
03

Қорытынды

Сандық және аналогтық диапазондар анықталғаннан кейін, сәтті ПХД үшін мұқият маршруттау маңызды. Сымдарды қосу стратегиясы әдетте барлығына қарапайым ереже ретінде енгізіледі, өйткені зертханалық ортада өнімнің соңғы жетістігін тексеру қиын. Сондықтан, сандық және аналогтық тізбектердің сым стратегияларындағы ұқсастықтарға қарамастан, олардың сым стратегияларындағы айырмашылықтарды мойындап, байыппен қарау керек.