Бројот на дигитални дизајнери и експерти за дизајн на дигитални кола во областа на инженерството постојано се зголемува, што го одразува развојниот тренд на индустријата. Иако акцентот на дигиталниот дизајн донесе голем развој во електронските производи, тој сè уште постои, и секогаш ќе има некои дизајни на кола што се поврзуваат со аналогни или реални средини. Стратегиите за поврзување на жици во аналогните и дигиталните полиња имаат некои сличности, но кога сакате да добиете подобри резултати, поради нивните различни стратегии за поврзување, едноставниот дизајн на жици на колото повеќе не е оптимално решение.

Оваа статија ги разгледува основните сличности и разлики помеѓу аналогните и дигиталните жици во однос на бајпас кондензатори, напојувања, дизајн на заземјување, грешки во напонот и електромагнетни пречки (EMI) предизвикани од жици со PCB.

Бројот на дигитални дизајнери и експерти за дизајн на дигитални кола во областа на инженерството постојано се зголемува, што го одразува развојниот тренд на индустријата. Иако акцентот на дигиталниот дизајн донесе голем развој во електронските производи, тој сè уште постои, и секогаш ќе има некои дизајни на кола што се поврзуваат со аналогни или реални средини. Стратегиите за поврзување на жици во аналогните и дигиталните полиња имаат некои сличности, но кога сакате да добиете подобри резултати, поради нивните различни стратегии за поврзување, едноставниот дизајн на жици на колото повеќе не е оптимално решение.

Оваа статија ги разгледува основните сличности и разлики помеѓу аналогните и дигиталните жици во однос на бајпас кондензатори, напојувања, дизајн на заземјување, грешки во напонот и електромагнетни пречки (EMI) предизвикани од жици со PCB.

Додавањето бајпас или одвојувачки кондензатори на плочката и локацијата на овие кондензатори на плочата се здрав разум за дигитални и аналогни дизајни. Но, интересно, причините се различни.

Во дизајнот на аналогните жици, бајпас кондензаторите обично се користат за заобиколување на високофреквентни сигнали на напојувањето. Ако не се додадат бајпас кондензатори, овие високофреквентни сигнали може да влезат во чувствителните аналогни чипови преку пиновите за напојување. Општо земено, фреквенцијата на овие високофреквентни сигнали ја надминува способноста на аналогните уреди да ги потиснуваат сигналите со висока фреквенција. Ако бајпас-кондензаторот не се користи во аналогното коло, може да се внесе шум на патеката на сигналот, а во посериозни случаи може да предизвика дури и вибрации.

Во аналогниот и дигиталниот дизајн на ПХБ, кондензаторите за бајпас или одвојување (0,1uF) треба да бидат поставени што е можно поблиску до уредот. Кондензаторот за одвојување на напојувањето (10uF) треба да се постави на влезот на далноводот на плочката. Во сите случаи, игличките на овие кондензатори треба да бидат кратки.

На плочката на Слика 2, се користат различни правци за насочување на жиците за напојување и заземјување. Поради оваа несоодветна соработка, електронските компоненти и кола на плочката на колото се со поголема веројатност да бидат предмет на електромагнетни пречки.

Во единечниот панел на Слика 3, жиците за напојување и заземјување на компонентите на плочката се блиску една до друга. Соодносот на совпаѓање на далноводот и линијата за заземјување во оваа плочка е соодветен како што е прикажано на слика 2. Веројатноста електронските компоненти и кола во плочката да бидат подложени на електромагнетни пречки (EMI) е намалена за 679/12,8 пати или околу 54 пати.
　　
За дигитални уреди како што се контролори и процесори, потребни се и кондензатори за одвојување, но од различни причини. Една од функциите на овие кондензатори е да дејствуваат како „минијатурна“ банка за полнење.

Во дигиталните кола, обично е потребна голема количина на струја за да се изврши префрлување на состојбата на портата. Бидејќи префрлувачките минливи струи се генерираат на чипот за време на префрлувањето и течат низ колото, поволно е да имате дополнителни „резервни“ полнења. Ако нема доволно полнење при извршувањето на дејството на префрлување, напонот на напојувањето значително ќе се промени. Премногу промена на напонот ќе предизвика нивото на дигитален сигнал да влезе во несигурна состојба и може да предизвика неправилно функционирање на состојбата на машината во дигиталниот уред.

Префрлувачката струја што тече низ трагата на колото ќе предизвика промена на напонот, а трагата на плочата има паразитска индуктивност. За пресметување на промената на напонот може да се користи следнава формула: V = LdI/dt. Меѓу нив: V = промена на напонот, L = индуктивност на трага на колото, dI = промена на струјата низ трагата, dt = време на промена на струјата.
　　
Затоа, поради многу причини, подобро е да се применат бајпас (или одвојување) кондензатори на напојувањето или на пиновите за напојување на активните уреди.

Кабелот за напојување и жицата за заземјување треба да се насочат заедно

Позицијата на кабелот за напојување и жица за заземјување се добро усогласени за да се намали можноста за електромагнетни пречки. Ако далноводот и водниот вод не се соодветно усогласени, ќе се дизајнира системска јамка и најверојатно ќе се генерира бучава.

Пример за дизајн на ПХБ каде што линијата за напојување и заземјувањето не се соодветно усогласени е прикажан на слика 2. На оваа плочка, дизајнираната површина на јамката е 697 cm². Користејќи го методот прикажан на слика 3, можноста за зрачен шум на или исклучување на колото што предизвикува напон во јамката може значително да се намали.

Разликата помеѓу стратегиите за аналогни и дигитални жици

▍Проблем е рамнината на земјата

Основното знаење за ожичување на колото е применливо и за аналогни и за дигитални кола. Основно правило е да се користи непрекината рамнина на земјата. Овој здрав разум го намалува ефектот dI/dt (промена на струјата со времето) во дигиталните кола, што го менува потенцијалот за заземјување и предизвикува бучава да влезе во аналогните кола.

Техниките за поврзување на дигиталните и аналогните кола се во основа исти, со еден исклучок. За аналогните кола, треба да се забележи уште една точка, односно држете ги дигиталните сигнални линии и јамки во рамнината на земјата што е можно подалеку од аналогните кола. Ова може да се постигне со поврзување на аналогната рамнина за заземјување со поврзувањето на системот за заземјување одделно или со поставување на аналогното коло на крајниот крај на плочката, што е крајот на линијата. Ова е направено за да се сведат надворешните пречки на патеката на сигналот на минимум.

Нема потреба да го правите ова за дигитални кола, кои можат да толерираат многу бучава на рамнината на земјата без проблеми.

Слика 4 (лево) го изолира дејството на дигитално префрлување од аналогното коло и ги одделува дигиталните и аналогните делови од колото. (Десно) Високата фреквенција и ниската фреквенција треба да се раздвојат колку што е можно повеќе, а компонентите со висока фреквенција треба да бидат блиску до конекторите на таблата со кола.

Слика 5 Распоред на две блиски траги на ПХБ, лесно е да се формира паразитски капацитет. Поради постоењето на овој вид капацитивност, брзата промена на напонот на едната трага може да генерира тековен сигнал на другата трага.

Слика 6 Ако не внимавате на поставувањето на трагите, трагите во ПХБ може да произведат линиска индуктивност и меѓусебна индуктивност. Оваа паразитска индуктивност е многу штетна за работата на кола вклучувајќи ги и дигиталните прекинувачки кола.

▍Локација на компонентата

Како што споменавме погоре, во секој дизајн на ПХБ, делот за бучава од колото и „тивкиот“ дел (дел без бучава) треба да се одделат. Општо земено, дигиталните кола се „богати“ со бучава и се нечувствителни на бучава (бидејќи дигиталните кола имаат поголема толеранција на напонски шум); напротив, толеранцијата на напонскиот шум на аналогните кола е многу помала.

Од двете, аналогните кола се најчувствителни на шум на префрлување. Во жици на систем со мешан сигнал, овие две кола треба да се одделат, како што е прикажано на слика 4.
　　
▍Паразитски компоненти генерирани со дизајн на ПХБ

Два основни паразитски елементи кои можат да предизвикаат проблеми лесно се формираат во дизајнот на ПХБ: паразитска капацитивност и паразитска индуктивност.

При дизајнирање на коло, поставувањето на две траги блиску една до друга ќе генерира паразитски капацитет. Можете да го направите ова: На два различни слоја, ставете една трага врз другата трага; или на истиот слој, ставете една трага до другата трага, како што е прикажано на слика 5.
　　
Во овие две конфигурации за трага, промените на напонот со текот на времето (dV/dt) на едната трага може да предизвикаат струја на другата трага. Ако другата трага е висока импеданса, струјата генерирана од електричното поле ќе се претвори во напон.
　　
Брзите минливи напони најчесто се случуваат на дигиталната страна на дизајнот на аналогниот сигнал. Ако трагите со брзи напонски транзиенти се блиску до аналогни траги со висока импеданса, оваа грешка сериозно ќе влијае на точноста на аналогното коло. Во оваа средина, аналогните кола имаат две недостатоци: нивната толеранција на бучава е многу помала од онаа на дигиталните кола; а почести се трагите со висока импеданса.
　　
Користењето на една од следните две техники може да го намали овој феномен. Најчесто користена техника е промена на големината помеѓу трагите според равенката на капацитетот. Најефективната големина за промена е растојанието помеѓу двете траги. Треба да се забележи дека променливата d е во именителот на равенката на капацитетот. Како што d се зголемува, капацитивната реактанса ќе се намали. Друга променлива што може да се промени е должината на двете траги. Во овој случај, должината L се намалува, а капацитивната реактанса помеѓу двете траги исто така ќе се намали.
　　
Друга техника е да се постави жица за заземјување помеѓу овие две траги. Заземјувачката жица е со мала импеданса, и додавањето на друга трага како оваа ќе го ослаби електричното поле на пречки, како што е прикажано на слика 5.
　　
Принципот на паразитска индуктивност во колото е сличен на оној на паразитската капацитивност. Тоа е, исто така, да се постават две траги. На два различни слоја, ставете една трага врз другата трага; или на истиот слој, ставете една трага до друга, како што е прикажано на слика 6.

Во овие две жици конфигурации, промената на струјата (dI/dt) на трагата со текот на времето, поради индуктивноста на оваа трага, ќе генерира напон на истата трага; а поради постоење на меѓусебна индуктивност ќе На другата трага се генерира пропорционална струја. Ако промената на напонот на првата трага е доволно голема, пречките може да ја намалат толеранцијата на напонот на дигиталното коло и да предизвикаат грешки. Овој феномен не се јавува само во дигиталните кола, туку овој феномен е почест кај дигиталните кола поради големите моментални струи на префрлување во дигиталните кола.
　　
За да се елиминира потенцијалниот шум од изворите на електромагнетни пречки, најдобро е да се одделат „тивките“ аналогни линии од бучните I/O порти. За да се обиде да постигне мрежа со моќност и заземјување со мала импеданса, индуктивноста на жиците на дигиталните кола треба да се минимизира, а капацитивното спојување на аналогните кола треба да се минимизира.
　　
03

Заклучок

Откако ќе се одредат дигиталните и аналогните опсези, внимателното рутирање е од суштинско значење за успешна ПХБ. Стратегијата за поврзување ожичување обично се воведува кај сите како правило, бидејќи е тешко да се тестира крајниот успех на производот во лабораториска средина. Затоа, и покрај сличностите во стратегиите за поврзување на дигиталните и аналогните кола, разликите во нивните стратегии за поврзување мора да се препознаат и да се сфатат сериозно.