Digitālo dizaineru un digitālo shēmu dizaina ekspertu skaits inženierzinātņu jomā nepārtraukti pieaug, kas atspoguļo nozares attīstības tendenci. Lai gan uzsvars uz digitālo dizainu ir izraisījis ievērojamu attīstību elektronisko izstrādājumu jomā, tas joprojām pastāv, un vienmēr būs daži ķēžu modeļi, kas saskarsies ar analogo vai reālo vidi. Elektroinstalācijas stratēģijām analogajā un digitālajā jomā ir dažas līdzības, taču, ja vēlaties iegūt labākus rezultātus, to atšķirīgo elektroinstalācijas stratēģiju dēļ vienkārša ķēdes vadu konstrukcija vairs nav optimālais risinājums.

Šajā rakstā ir apskatītas pamata līdzības un atšķirības starp analogo un digitālo vadu apvada kondensatoriem, barošanas avotiem, zemējuma dizainu, sprieguma kļūdām un elektromagnētiskajiem traucējumiem (EMI), ko izraisa PCB vadi.

Digitālo dizaineru un digitālo shēmu dizaina ekspertu skaits inženierzinātņu jomā nepārtraukti pieaug, kas atspoguļo nozares attīstības tendenci. Lai gan uzsvars uz digitālo dizainu ir izraisījis ievērojamu attīstību elektronisko izstrādājumu jomā, tas joprojām pastāv, un vienmēr būs daži ķēžu modeļi, kas saskarsies ar analogo vai reālo vidi. Elektroinstalācijas stratēģijām analogajā un digitālajā jomā ir dažas līdzības, taču, ja vēlaties iegūt labākus rezultātus, to atšķirīgo elektroinstalācijas stratēģiju dēļ vienkārša ķēdes vadu konstrukcija vairs nav optimālais risinājums.

Šajā rakstā ir apskatītas pamata līdzības un atšķirības starp analogo un digitālo vadu apvada kondensatoriem, barošanas avotiem, zemējuma dizainu, sprieguma kļūdām un elektromagnētiskajiem traucējumiem (EMI), ko izraisa PCB vadi.

Apvada vai atsaistes kondensatoru pievienošana shēmas platei un šo kondensatoru atrašanās vieta uz plates ir veselais saprāts digitālajiem un analogajiem dizainiem. Bet interesanti, ka iemesli ir dažādi.

Analogajā vadu projektēšanā apvada kondensatorus parasti izmanto, lai apietu barošanas avota augstfrekvences signālus. Ja netiek pievienoti apvada kondensatori, šie augstfrekvences signāli var iekļūt jutīgās analogajās mikroshēmās caur barošanas avota tapām. Vispārīgi runājot, šo augstfrekvences signālu frekvence pārsniedz analogo ierīču spēju nomākt augstfrekvences signālus. Ja analogajā shēmā netiek izmantots apvada kondensators, signāla ceļā var rasties troksnis, un nopietnākos gadījumos tas var izraisīt pat vibrāciju.

Analogās un digitālās PCB dizainā apvada vai atsaistes kondensatori (0,1 uF) jānovieto pēc iespējas tuvāk ierīcei. Barošanas avota atsaistes kondensators (10uF) jānovieto pie shēmas plates strāvas līnijas ieejas. Visos gadījumos šo kondensatoru tapām jābūt īsām.

2. attēlā redzamajā shēmas plates strāvas un zemējuma vadu maršrutēšanai tiek izmantoti dažādi maršruti. Šīs nepareizās sadarbības dēļ elektroniskie komponenti un shēmas shēmas platē, visticamāk, tiks pakļauti elektromagnētiskiem traucējumiem.

Atsevišķā 3. attēla panelī strāvas un zemējuma vadi uz shēmas plates komponentiem atrodas tuvu viens otram. Strāvas līnijas un zemējuma līnijas atbilstības attiecība šajā shēmas platē ir piemērota, kā parādīts 2. attēlā. Varbūtība, ka shēmas plates elektroniskie komponenti un shēmas tiks pakļautas elektromagnētiskiem traucējumiem (EMI), tiek samazināts par 679/12,8 reizes vai apmēram 54 reizes.
　　
Digitālajām ierīcēm, piemēram, kontrolieriem un procesoriem, ir nepieciešami arī atdalīšanas kondensatori, taču dažādu iemeslu dēļ. Viena no šo kondensatoru funkcijām ir darboties kā "miniatūrai" uzlādes bankai.

Digitālajās shēmās parasti ir nepieciešams liels strāvas daudzums, lai veiktu vārtu stāvokļa pārslēgšanu. Tā kā pārslēgšanas laikā mikroshēmā tiek ģenerētas pārejas pārejas strāvas, kas plūst caur shēmas plati, ir izdevīgi izmantot papildu “rezerves” lādiņus. Ja, veicot pārslēgšanas darbību, nav pietiekami daudz uzlādes, strāvas padeves spriegums ievērojami mainīsies. Pārāk liela sprieguma maiņa izraisīs digitālā signāla līmeņa pāreju uz nenoteiktu stāvokli, kā arī var izraisīt digitālās ierīces stāvokļa mašīnas nepareizu darbību.

Pārslēgšanas strāva, kas plūst caur shēmas plates trasi, izraisīs sprieguma izmaiņas, un shēmas plates trasei ir parazitāra induktivitāte. Sprieguma izmaiņu aprēķināšanai var izmantot šādu formulu: V = LdI/dt. Starp tiem: V = sprieguma izmaiņas, L = shēmas plates trases induktivitāte, dI = strāvas izmaiņas caur trasēšanu, dt = strāvas maiņas laiks.
　　
Tāpēc daudzu iemeslu dēļ ir labāk izmantot apvada (vai atsaistes) kondensatorus pie barošanas avota vai aktīvo ierīču barošanas avota tapām.

Strāvas vads un zemējuma vads ir jānovieto kopā

Strāvas vada un zemējuma vada novietojums ir labi saskaņots, lai samazinātu elektromagnētisko traucējumu iespējamību. Ja elektropārvades līnija un zemējuma līnija nav pareizi saskaņotas, tiks izveidota sistēmas cilpa un, iespējams, radīsies troksnis.

PCB konstrukcijas piemērs, kurā strāvas līnija un zemējuma līnija nav pareizi saskaņotas, ir parādīts 2. attēlā. Uz šīs shēmas plates projektētais cilpas laukums ir 697 cm². Izmantojot 3. attēlā parādīto metodi, var ievērojami samazināt iespējamību, ka shēmas plates izstarotais troksnis rada spriegumu cilpā.

Atšķirība starp analogo un digitālo vadu stratēģijām

▍Iezemētā plakne ir problēma

Pamatzināšanas par shēmas plates elektroinstalāciju ir piemērojamas gan analogajām, gan digitālajām shēmām. Pamatnoteikums ir izmantot nepārtrauktu zemes plakni. Šis veselais saprāts samazina dI/dt (strāvas izmaiņas laika gaitā) efektu digitālajās shēmās, kas maina zemējuma potenciālu un izraisa trokšņa iekļūšanu analogajās shēmās.

Digitālo un analogo ķēžu elektroinstalācijas paņēmieni būtībā ir vienādi, ar vienu izņēmumu. Attiecībā uz analogajām shēmām ir vēl viens punkts, kas jāņem vērā, tas ir, turiet ciparu signāla līnijas un cilpas zemējuma plaknē pēc iespējas tālāk no analogajām shēmām. To var panākt, atsevišķi savienojot analogo zemes plati ar sistēmas zemējuma savienojumu vai novietojot analogo ķēdi shēmas plates tālākajā galā, kas ir līnijas gals. Tas tiek darīts, lai līdz minimumam samazinātu ārējos traucējumus signāla ceļā.

Tas nav jādara digitālajām shēmām, kas bez problēmām var izturēt lielu troksni uz zemes virsmas.

4. attēlā (pa kreisi) ir izolēta ciparu pārslēgšanas darbība no analogās ķēdes un atdalītas ķēdes digitālās un analogās daļas. (Pa labi) Augsta frekvence un zemā frekvence ir jāatdala pēc iespējas vairāk, un augstfrekvences komponentiem jāatrodas tuvu shēmas plates savienotājiem.

5. attēls. Izkārtojums divas tuvu pēdas uz PCB, ir viegli veidot parazitāras kapacitātes. Tā kā pastāv šāda veida kapacitāte, strauja sprieguma maiņa vienā trasē var radīt strāvas signālu otrā trasē.

6. attēls Ja jūs nepievēršat uzmanību trases novietojumam, pēdas PCB var radīt līnijas induktivitāti un savstarpējo induktivitāti. Šī parazitārā induktivitāte ir ļoti kaitīga ķēžu, tostarp digitālo komutācijas ķēžu, darbībai.

▍Sastāvdaļas atrašanās vieta

Kā minēts iepriekš, katrā PCB konstrukcijā ķēdes trokšņa daļa un “klusā” daļa (bez trokšņa) ir jāatdala. Vispārīgi runājot, digitālās shēmas ir “bagātas” ar troksni un ir nejutīgas pret troksni (jo digitālajām shēmām ir lielāka sprieguma trokšņa tolerance); gluži pretēji, analogo ķēžu sprieguma trokšņu tolerance ir daudz mazāka.

No abām analogās shēmas ir visjutīgākās pret pārslēgšanas troksni. Jauktu signālu sistēmas elektroinstalācijā šīs divas ķēdes ir jāatdala, kā parādīts 4. attēlā.
　　
▍ Parazītu komponenti, ko rada PCB dizains

PCB projektēšanā viegli veidojas divi pamata parazītiskie elementi, kas var radīt problēmas: parazitārā kapacitāte un parazitārā induktivitāte.

Projektējot shēmas plati, novietojot divas pēdas tuvu viena otrai, tiks radīta parazitāra kapacitāte. Varat to izdarīt: Divos dažādos slāņos novietojiet vienu trasi virs otras; vai uz tā paša slāņa novietojiet vienu trasi blakus otrai pēdai, kā parādīts 5. attēlā.
　　
Šajās divās trases konfigurācijās sprieguma izmaiņas laika gaitā (dV/dt) vienā trasē var izraisīt strāvu otrā trasē. Ja otra trase ir augsta pretestība, elektriskā lauka radītā strāva tiks pārveidota par spriegumu.
　　
Ātrās sprieguma pārejas visbiežāk rodas analogā signāla dizaina digitālajā pusē. Ja pēdas ar ātrām sprieguma pārejām ir tuvu augstas pretestības analogajām trasēm, šī kļūda nopietni ietekmēs analogās ķēdes precizitāti. Šajā vidē analogajām shēmām ir divi trūkumi: to trokšņu tolerance ir daudz zemāka nekā digitālajām shēmām; un augstas pretestības pēdas ir biežākas.
　　
Šo parādību var samazināt, izmantojot vienu no tālāk norādītajām divām metodēm. Visbiežāk izmantotais paņēmiens ir mainīt izmēru starp pēdām saskaņā ar kapacitātes vienādojumu. Visefektīvākais izmērs, ko mainīt, ir attālums starp abām pēdām. Jāņem vērā, ka mainīgais d atrodas kapacitātes vienādojuma saucējā. Palielinoties d, kapacitatīvā pretestība samazināsies. Vēl viens mainīgais lielums, ko var mainīt, ir divu pēdu garums. Šajā gadījumā garums L samazinās, un samazināsies arī kapacitatīvā pretestība starp abām trasēm.
　　
Vēl viens paņēmiens ir starp šīm divām pēdām novietot zemējuma vadu. Zemējuma vadam ir zema pretestība, un, pievienojot vēl vienu šādu pēdu, tiks vājināts traucējumu elektriskais lauks, kā parādīts 5. attēlā.
　　
Parazītiskās induktivitātes princips shēmas platē ir līdzīgs parazitārās kapacitātes principam. Ir arī jāizklāsta divas pēdas. Uz diviem dažādiem slāņiem novietojiet vienu zīmi virs otras; vai uz tā paša slāņa novietojiet vienu pēdu blakus otrai, kā parādīts 6. attēlā.

Šajās divās vadu konfigurācijās trases strāvas izmaiņas (dI/dt) laika gaitā šīs trases induktivitātes dēļ radīs spriegumu tajā pašā trasē; un savstarpējas induktivitātes esamības dēļ tā tiks A proporcionāla strāva tiek ģenerēta uz otras trases. Ja sprieguma izmaiņas pirmajā trasē ir pietiekami lielas, traucējumi var samazināt digitālās ķēdes sprieguma toleranci un izraisīt kļūdas. Šī parādība rodas ne tikai digitālajās shēmās, bet šī parādība ir biežāk sastopama digitālajās shēmās, jo digitālajās shēmās ir lielas momentānās pārslēgšanas strāvas.
　　
Lai novērstu iespējamos elektromagnētisko traucējumu avotu radītos trokšņus, vislabāk ir atdalīt “klusās” analogās līnijas no trokšņainajiem I/O portiem. Lai mēģinātu panākt zemas pretestības jaudas un zemes tīklu, digitālo ķēžu vadu induktivitāte ir jāsamazina un analogo ķēžu kapacitatīvā savienošana ir jāsamazina.
　　
03

Secinājums

Pēc digitālā un analogā diapazona noteikšanas veiksmīgai PCB ir būtiska rūpīga maršrutēšana. Elektroinstalācijas stratēģiju parasti iepazīstina visi kā īkšķi, jo ir grūti pārbaudīt produkta galīgos panākumus laboratorijas vidē. Tāpēc, neraugoties uz digitālo un analogo ķēžu vadu stratēģiju līdzību, to vadu stratēģiju atšķirības ir jāatzīst un jāuztver nopietni.