Skaitmeninių projektuotojų ir skaitmeninių plokščių projektavimo ekspertų skaičius inžinerijos srityje nuolat didėja, o tai atspindi pramonės plėtros tendencijas. Nors dėmesys skaitmeniniam dizainui lėmė didelius elektroninių gaminių pokyčius, jis vis dar egzistuoja ir visada bus keletas grandinių dizaino, susiejančių su analogine arba realia aplinka. Analoginių ir skaitmeninių sričių laidų jungimo strategijos turi tam tikrų panašumų, tačiau kai norite gauti geresnių rezultatų, dėl skirtingų laidų strategijų paprastas grandinės laidų dizainas nebėra optimalus sprendimas.

Šiame straipsnyje aptariami pagrindiniai analoginių ir skaitmeninių laidų panašumai ir skirtumai, susiję su apėjimo kondensatoriais, maitinimo šaltiniais, įžeminimo konstrukcija, įtampos klaidomis ir elektromagnetiniais trukdžiais (EMI), kuriuos sukelia PCB laidai.

Skaitmeninių projektuotojų ir skaitmeninių plokščių projektavimo ekspertų skaičius inžinerijos srityje nuolat didėja, o tai atspindi pramonės plėtros tendencijas. Nors dėmesys skaitmeniniam dizainui lėmė didelius elektroninių gaminių pokyčius, jis vis dar egzistuoja ir visada bus keletas grandinių dizaino, susiejančių su analogine arba realia aplinka. Analoginių ir skaitmeninių sričių laidų jungimo strategijos turi tam tikrų panašumų, tačiau kai norite gauti geresnių rezultatų, dėl skirtingų laidų strategijų paprastas grandinės laidų dizainas nebėra optimalus sprendimas.

Šiame straipsnyje aptariami pagrindiniai analoginių ir skaitmeninių laidų panašumai ir skirtumai, susiję su apėjimo kondensatoriais, maitinimo šaltiniais, įžeminimo konstrukcija, įtampos klaidomis ir elektromagnetiniais trukdžiais (EMI), kuriuos sukelia PCB laidai.

Apėjimo arba atjungimo kondensatorių pridėjimas prie grandinės plokštės ir šių kondensatorių vieta plokštėje yra sveikas protas skaitmeniniams ir analoginiams projektams. Tačiau įdomu tai, kad priežastys yra skirtingos.

Analoginio laidų projektavimo atveju apėjimo kondensatoriai paprastai naudojami aukšto dažnio signalams apeiti maitinimo šaltinyje. Nepridėjus apėjimo kondensatorių, šie aukšto dažnio signalai gali patekti į jautrius analoginius lustus per maitinimo šaltinio kaiščius. Paprastai tariant, šių aukšto dažnio signalų dažnis viršija analoginių įrenginių gebėjimą slopinti aukšto dažnio signalus. Jei analoginėje grandinėje nenaudojamas apėjimo kondensatorius, signalo kelyje gali kilti triukšmas, o rimtesniais atvejais net sukelti vibraciją.

Analoginio ir skaitmeninio PCB projektavimo atveju apėjimo arba atjungimo kondensatoriai (0,1 uF) turi būti dedami kuo arčiau įrenginio. Maitinimo atjungimo kondensatorius (10uF) turi būti dedamas prie grandinės plokštės maitinimo linijos įėjimo. Visais atvejais šių kondensatorių kaiščiai turi būti trumpi.

2 paveiksle esančioje plokštėje maitinimo ir įžeminimo laidams nukreipti naudojami skirtingi maršrutai. Dėl šio netinkamo bendradarbiavimo elektroniniai komponentai ir grandinės plokštėje dažniau patiria elektromagnetinius trukdžius.

Viename 3 paveiksle pavaizduotame skydelyje maitinimo ir įžeminimo laidai prie komponentų plokštėje yra arti vienas kito. Maitinimo linijos ir įžeminimo linijos atitikimo santykis šioje plokštėje yra tinkamas, kaip parodyta 2 paveiksle. Tikimybė, kad plokštės elektroniniai komponentai ir grandinės bus paveikti elektromagnetinių trukdžių (EMI), sumažėja 679/12,8 karto arba apie 54 kartus.
　　
Skaitmeniniams įrenginiams, tokiems kaip valdikliai ir procesoriai, taip pat reikalingi atsiejami kondensatoriai, tačiau dėl skirtingų priežasčių. Viena šių kondensatorių funkcijų yra veikti kaip „miniatiūrinis“ įkrovimo bankas.

Skaitmeninėse grandinėse paprastai reikia daug srovės, kad būtų galima perjungti vartų būseną. Kadangi perjungimo metu mikroschemoje susidaro perjungimo pereinamosios srovės ir jos teka per plokštę, pravartu turėti papildomų „atsarginių“ įkrovų. Jei atliekant perjungimo veiksmą nėra pakankamai įkrovimo, maitinimo įtampa labai pasikeis. Dėl per didelio įtampos pokyčio skaitmeninio signalo lygis pereis į neapibrėžtą būseną, o skaitmeninio įrenginio būsenos mašina gali veikti netinkamai.

Perjungimo srovė, tekanti per plokštės pėdsaką, pakeis įtampą, o plokštės pėdsakas turi parazitinį induktyvumą. Įtampos pokyčiui apskaičiuoti galima naudoti šią formulę: V = LdI/dt. Tarp jų: ​​V = įtampos pokytis, L = plokštės pėdsakų induktyvumas, dI = srovės pokytis per pėdsaką, dt = srovės keitimo laikas.
　　
Todėl dėl daugelio priežasčių maitinimo šaltinyje arba aktyvių įrenginių maitinimo šaltiniuose geriau naudoti apėjimo (arba atjungimo) kondensatorius.

Maitinimo laidas ir įžeminimo laidas turi būti nutiesti kartu

Maitinimo laido ir įžeminimo laido padėtis yra gerai suderinta, kad būtų sumažinta elektromagnetinių trukdžių galimybė. Jei maitinimo linija ir įžeminimo linija nėra tinkamai suderintos, bus sukurta sistemos kilpa ir greičiausiai kils triukšmas.

PCB konstrukcijos pavyzdys, kai maitinimo linija ir įžeminimo linija nėra tinkamai suderintos, parodytas 2 paveiksle. Šioje plokštėje suprojektuotas kilpos plotas yra 697 cm². Naudojant 3 paveiksle pavaizduotą metodą, galima labai sumažinti skleidžiamo triukšmo tikimybę grandinėje arba iš jos, sukeliančio įtampą kilpoje.

Skirtumas tarp analoginių ir skaitmeninių laidų strategijų

▍Įžeminimo plokštuma yra problema

Pagrindinės žinios apie grandinių plokščių laidus yra taikomos tiek analoginėms, tiek skaitmeninėms grandinėms. Pagrindinė taisyklė yra naudoti nepertraukiamą įžeminimo plokštę. Šis sveikas protas sumažina dI/dt (srovės pokytis laikui bėgant) efektą skaitmeninėse grandinėse, dėl ko pakeičiamas įžeminimo potencialas ir į analogines grandines patenka triukšmas.

Skaitmeninių ir analoginių grandinių laidų prijungimo būdai iš esmės yra vienodi, išskyrus vieną išimtį. Kalbant apie analogines grandines, reikia atkreipti dėmesį į kitą dalyką, ty skaitmenines signalo linijas ir kilpas įžeminimo plokštumoje laikykite kuo toliau nuo analoginių grandinių. Tai galima pasiekti atskirai prijungus analoginę įžeminimo plokštę prie sistemos įžeminimo jungties arba padėjus analoginę grandinę tolimiausiame plokštės gale, kuris yra linijos galas. Tai daroma siekiant, kad išoriniai trukdžiai signalo kelyje būtų kuo mažesni.

To nereikia daryti skaitmeninėms grandinėms, kurios gali be problemų toleruoti didelį triukšmą įžeminimo plokštumoje.

4 paveiksle (kairėje) atskirtas skaitmeninio perjungimo veiksmas nuo analoginės grandinės ir atskirtos skaitmeninės ir analoginės grandinės dalys. (Dešinėje) Aukšto dažnio ir žemo dažnio dažniai turi būti kuo labiau atskirti, o aukšto dažnio komponentai turi būti arti plokštės jungčių.

5 paveikslas Išdėstykite du artimus pėdsakus ant PCB, nesunku suformuoti parazitinę talpą. Dėl šios rūšies talpos, greitas įtampos pokytis viename takelyje gali generuoti srovės signalą kitame takelyje.

6 pav. Jei nekreipsite dėmesio į pėdsakų išdėstymą, pėdsakai PCB gali sukelti linijos induktyvumą ir abipusį induktyvumą. Šis parazitinis induktyvumas labai kenkia grandinių, įskaitant skaitmenines perjungimo grandines, veikimui.

▍Komponento vieta

Kaip minėta aukščiau, kiekvienoje PCB konstrukcijoje triukšmingoji grandinės dalis ir „tylioji“ dalis (netriukšmo dalis) turėtų būti atskirtos. Paprastai tariant, skaitmeninės grandinės yra „daug“ triukšmo ir yra nejautros triukšmui (nes skaitmeninės grandinės turi didesnį įtampos triukšmo toleranciją); priešingai, analoginių grandinių įtampos triukšmo tolerancija yra daug mažesnė.

Iš dviejų analoginės grandinės yra jautriausios perjungimo triukšmui. Mišrių signalų sistemos laiduose šios dvi grandinės turi būti atskirtos, kaip parodyta 4 paveiksle.
　　
▍ Parazitiniai komponentai, sukurti naudojant PCB dizainą

PCB konstrukcijoje lengvai suformuojami du pagrindiniai parazitiniai elementai, galintys sukelti problemų: parazitinė talpa ir parazitinė induktyvumas.

Projektuojant plokštę, pastačius du pėdsakus arti vienas kito, susidarys parazitinė talpa. Galite tai padaryti: ant dviejų skirtingų sluoksnių uždėkite vieną pėdsaką ant kito pėdsako; arba ant to paties sluoksnio uždėkite vieną pėdsaką šalia kito pėdsako, kaip parodyta 5 paveiksle.
　　
Šiose dviejose pėdsakų konfigūracijose įtampos pokyčiai laikui bėgant (dV/dt) viename takelyje gali sukelti srovę kitame takelyje. Jei kitas pėdsakas yra didelės varžos, elektros lauko sukurta srovė bus paversta įtampa.
　　
Greiti įtampos pereinamieji įvykiai dažniausiai atsiranda skaitmeninėje analoginio signalo konstrukcijos pusėje. Jei pėdsakai su greitais įtampos pereinamaisiais elementais yra artimi didelės varžos analoginiams pėdsakams, ši klaida labai paveiks analoginės grandinės tikslumą. Šioje aplinkoje analoginės grandinės turi du trūkumus: jų atsparumas triukšmui yra daug mažesnis nei skaitmeninių grandinių; o didelės varžos pėdsakai yra dažnesni.
　　
Naudojant vieną iš šių dviejų būdų, galima sumažinti šį reiškinį. Dažniausiai naudojamas būdas yra pakeisti dydį tarp pėdsakų pagal talpos lygtį. Veiksmingiausias dydis keisti yra atstumas tarp dviejų pėdsakų. Reikia pažymėti, kad kintamasis d yra talpos lygties vardiklyje. Didėjant d, talpinė reaktyvumas mažės. Kitas kintamasis, kurį galima pakeisti, yra dviejų pėdsakų ilgis. Šiuo atveju ilgis L mažėja, o talpinė reaktyvumas tarp dviejų pėdsakų taip pat sumažės.
　　
Kitas būdas yra tiesti įžeminimo laidą tarp šių dviejų pėdsakų. Įžeminimo laidas yra mažos varžos, o pridėjus dar vieną panašų pėdsaką susilpnins trukdžių elektrinį lauką, kaip parodyta 5 paveiksle.
　　
Parazitinės induktyvumo principas plokštėje yra panašus į parazitinės talpos. Taip pat reikia išdėstyti du pėdsakus. Ant dviejų skirtingų sluoksnių uždėkite vieną pėdsaką ant kito pėdsako; arba ant to paties sluoksnio uždėkite vieną pėdsaką šalia kito, kaip parodyta 6 paveiksle.

Šiose dviejose laidų konfigūracijose srovės pokytis (dI/dt) laikui bėgant dėl ​​šio pėdsako induktyvumo generuos įtampą tame pačiame takelyje; o dėl abipusio induktyvumo egzistavimo ji bus Kitame takelyje susidaro proporcinga srovė. Jei įtampos pokytis pirmajame takelyje yra pakankamai didelis, trukdžiai gali sumažinti skaitmeninės grandinės įtampos toleranciją ir sukelti klaidų. Šis reiškinys pasireiškia ne tik skaitmeninėse grandinėse, bet šis reiškinys labiau paplitęs skaitmeninėse grandinėse dėl didelių momentinių perjungimo srovių skaitmeninėse grandinėse.
　　
Norint pašalinti galimą elektromagnetinių trukdžių šaltinių keliamą triukšmą, geriausia atskirti „tylias“ analogines linijas nuo triukšmingų I/O prievadų. Norint pasiekti mažos varžos galios ir įžeminimo tinklą, skaitmeninių grandinių laidų induktyvumas turėtų būti sumažintas iki minimumo, o analoginių grandinių talpinė jungtis turėtų būti sumažinta.
　　
03

Išvada

Nustačius skaitmeninius ir analoginius diapazonus, norint sėkmingai sukurti PCB, būtinas kruopštus maršrutas. Laidų sujungimo strategija paprastai pristatoma visiems kaip nykščio taisyklė, nes laboratorinėje aplinkoje sunku patikrinti galutinę produkto sėkmę. Todėl, nepaisant skaitmeninių ir analoginių grandinių laidų strategijų panašumų, jų laidų strategijų skirtumus reikia pripažinti ir į juos žiūrėti rimtai.