पीसीबी डिझाइनमध्ये, ॲनालॉग सर्किट आणि डिजिटल सर्किटमध्ये इतका मोठा फरक का आहे?

अभियांत्रिकी क्षेत्रातील डिजिटल डिझायनर आणि डिजिटल सर्किट बोर्ड डिझाइन तज्ञांची संख्या सतत वाढत आहे, जी उद्योगाच्या विकासाची प्रवृत्ती दर्शवते. डिजिटल डिझाईनवर भर दिल्याने इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांमध्ये मोठी प्रगती झाली असली तरी ती अजूनही अस्तित्वात आहे आणि नेहमी काही सर्किट डिझाइन्स असतील जे ॲनालॉग किंवा वास्तविक वातावरणाशी इंटरफेस करतात. ॲनालॉग आणि डिजिटल फील्डमधील वायरिंग स्ट्रॅटेजीजमध्ये काही समानता आहेत, परंतु जेव्हा तुम्हाला चांगले परिणाम मिळवायचे असतील, त्यांच्या वेगवेगळ्या वायरिंग स्ट्रॅटेजीजमुळे, साधे सर्किट वायरिंग डिझाइन हा यापुढे इष्टतम उपाय नाही.

हा लेख बायपास कॅपॅसिटर, पॉवर सप्लाय, ग्राउंड डिझाइन, व्होल्टेज एरर आणि पीसीबी वायरिंगमुळे होणारे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक इंटरफेरन्स (EMI) या बाबतीत ॲनालॉग आणि डिजिटल वायरिंगमधील मूलभूत समानता आणि फरकांची चर्चा करतो.

सर्किट बोर्डवर बायपास किंवा डिकपलिंग कॅपेसिटर जोडणे आणि या कॅपेसिटरचे बोर्डवरील स्थान डिजिटल आणि ॲनालॉग डिझाइनसाठी सामान्य ज्ञान आहे. पण विशेष म्हणजे त्याची कारणे वेगळी आहेत.

ॲनालॉग वायरिंग डिझाइनमध्ये, बायपास कॅपेसिटर सहसा वीज पुरवठ्यावरील उच्च-फ्रिक्वेंसी सिग्नलला बायपास करण्यासाठी वापरले जातात. बायपास कॅपेसिटर जोडले नसल्यास, हे उच्च-फ्रिक्वेंसी सिग्नल वीज पुरवठा पिनद्वारे संवेदनशील ॲनालॉग चिप्समध्ये प्रवेश करू शकतात. सर्वसाधारणपणे, या उच्च-फ्रिक्वेंसी सिग्नलची वारंवारता उच्च-फ्रिक्वेंसी सिग्नल दाबण्यासाठी ॲनालॉग उपकरणांच्या क्षमतेपेक्षा जास्त आहे. एनालॉग सर्किटमध्ये बायपास कॅपेसिटर वापरला नसल्यास, सिग्नल मार्गामध्ये आवाज येऊ शकतो आणि अधिक गंभीर प्रकरणांमध्ये, यामुळे कंपन देखील होऊ शकते.

ॲनालॉग आणि डिजिटल PCB डिझाइनमध्ये, बायपास किंवा डिकपलिंग कॅपेसिटर (0.1uF) शक्य तितक्या डिव्हाइसच्या जवळ ठेवले पाहिजेत. पॉवर सप्लाय डिकपलिंग कॅपेसिटर (10uF) सर्किट बोर्डच्या पॉवर लाइनच्या प्रवेशद्वारावर ठेवला पाहिजे. सर्व प्रकरणांमध्ये, या कॅपेसिटरच्या पिन लहान असाव्यात.

आकृती 2 मधील सर्किट बोर्डवर, पॉवर आणि ग्राउंड वायर्स रूट करण्यासाठी वेगवेगळे मार्ग वापरले जातात. या अयोग्य सहकार्यामुळे, सर्किट बोर्डवरील इलेक्ट्रॉनिक घटक आणि सर्किट्स इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक हस्तक्षेपाच्या अधीन होण्याची अधिक शक्यता असते.

आकृती 3 च्या सिंगल पॅनेलमध्ये, सर्किट बोर्डवरील घटकांचे पॉवर आणि ग्राउंड वायर एकमेकांच्या जवळ आहेत. या सर्किट बोर्डमधील पॉवर लाइन आणि ग्राउंड लाइनचे जुळणारे गुणोत्तर आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे योग्य आहे. सर्किट बोर्डमधील इलेक्ट्रॉनिक घटक आणि सर्किट्स इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक इंटरफेरन्स (EMI) च्या अधीन होण्याची संभाव्यता 679/12.8 पटीने कमी झाली आहे किंवा सुमारे 54 वेळा.
　　
कंट्रोलर आणि प्रोसेसर सारख्या डिजिटल उपकरणांसाठी, डिकपलिंग कॅपेसिटर देखील आवश्यक आहेत, परंतु भिन्न कारणांसाठी. या कॅपेसिटरचे एक कार्य म्हणजे "लघु" चार्ज बँक म्हणून कार्य करणे.

डिजिटल सर्किट्समध्ये, गेट स्टेट स्विचिंग करण्यासाठी सामान्यतः मोठ्या प्रमाणात करंट आवश्यक असतो. स्विचिंग दरम्यान चंचल करंट स्विचिंग दरम्यान चिपवर निर्माण होत असल्याने आणि सर्किट बोर्डमधून प्रवाहित होत असल्याने, अतिरिक्त "सुटे" शुल्क आकारणे फायदेशीर आहे. स्विचिंग क्रिया करताना पुरेसे शुल्क नसल्यास, वीज पुरवठा व्होल्टेज मोठ्या प्रमाणात बदलेल. खूप जास्त व्होल्टेज बदलामुळे डिजिटल सिग्नल पातळी अनिश्चित अवस्थेत प्रवेश करेल आणि डिजिटल डिव्हाइसमधील स्टेट मशीन चुकीच्या पद्धतीने ऑपरेट करू शकते.

सर्किट बोर्ड ट्रेसमधून वाहणाऱ्या स्विचिंग करंटमुळे व्होल्टेज बदलेल आणि सर्किट बोर्ड ट्रेसमध्ये परजीवी इंडक्टन्स आहे. व्होल्टेज बदलाची गणना करण्यासाठी खालील सूत्र वापरले जाऊ शकते: V = LdI/dt. त्यापैकी: V = व्होल्टेज बदल, L = सर्किट बोर्ड ट्रेस इंडक्टन्स, dI = ट्रेसद्वारे वर्तमान बदल, dt = वर्तमान बदलण्याची वेळ.
　　
म्हणून, अनेक कारणांमुळे, बायपास (किंवा डीकपलिंग) कॅपेसिटर पॉवर सप्लायवर किंवा सक्रिय डिव्हाइसेसच्या पॉवर सप्लाय पिनवर लागू करणे चांगले आहे.

पॉवर कॉर्ड आणि ग्राउंड वायर एकत्र रूट केले पाहिजेत

इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक हस्तक्षेपाची शक्यता कमी करण्यासाठी पॉवर कॉर्ड आणि ग्राउंड वायरची स्थिती चांगली जुळली आहे. पॉवर लाईन आणि ग्राउंड लाईन व्यवस्थित जुळत नसल्यास, सिस्टम लूप तयार केला जाईल आणि आवाज निर्माण होण्याची शक्यता आहे.

PCB डिझाइनचे उदाहरण जेथे पॉवर लाइन आणि ग्राउंड लाइन योग्यरित्या जुळत नाहीत ते आकृती 2 मध्ये दर्शविले आहे. या सर्किट बोर्डवर, डिझाइन केलेले लूप क्षेत्र 697cm² आहे. आकृती 3 मध्ये दर्शविलेल्या पद्धतीचा वापर करून, लूपमधील व्होल्टेज प्रवृत्त करणारे सर्किट बोर्ड चालू किंवा बाहेर विकिरणित आवाजाची शक्यता मोठ्या प्रमाणात कमी केली जाऊ शकते.

ॲनालॉग आणि डिजिटल वायरिंग धोरणांमधील फरक

▍ ग्राउंड प्लेन एक समस्या आहे

सर्किट बोर्ड वायरिंगचे मूलभूत ज्ञान ॲनालॉग आणि डिजिटल सर्किट दोन्हीसाठी लागू आहे. एक मूलभूत नियम म्हणजे अखंड ग्राउंड प्लेन वापरणे. हे सामान्य ज्ञान डिजिटल सर्किट्समधील dI/dt (वेळेनुसार वर्तमान बदलणे) प्रभाव कमी करते, ज्यामुळे जमिनीची क्षमता बदलते आणि ॲनालॉग सर्किट्समध्ये आवाज येतो.

डिजिटल आणि ॲनालॉग सर्किट्ससाठी वायरिंग तंत्र मुळात एकच आहे, अपवाद वगळता. ॲनालॉग सर्किट्ससाठी, आणखी एक मुद्दा लक्षात घेण्यासारखा आहे, तो म्हणजे, डिजिटल सिग्नल लाईन्स आणि लूप जमिनीच्या विमानात ॲनालॉग सर्किट्सपासून शक्य तितक्या दूर ठेवा. हे ॲनालॉग ग्राउंड प्लेनला सिस्टीम ग्राउंड कनेक्शनला स्वतंत्रपणे जोडून किंवा सर्किट बोर्डच्या अगदी शेवटच्या टोकाला ॲनालॉग सर्किट ठेवून, जे ओळीच्या शेवटी आहे ते मिळवता येते. सिग्नल मार्गावरील बाह्य हस्तक्षेप कमीत कमी ठेवण्यासाठी हे केले जाते.

डिजिटल सर्किट्ससाठी हे करण्याची आवश्यकता नाही, जे समस्यांशिवाय ग्राउंड प्लेनवर खूप आवाज सहन करू शकतात.

आकृती 4 (डावीकडे) ॲनालॉग सर्किटमधून डिजिटल स्विचिंग क्रिया वेगळे करते आणि सर्किटचे डिजिटल आणि ॲनालॉग भाग वेगळे करते. (उजवीकडे) उच्च वारंवारता आणि कमी वारंवारता शक्य तितकी वेगळी केली पाहिजे आणि उच्च वारंवारता घटक सर्किट बोर्ड कनेक्टर्सच्या जवळ असावेत.

आकृती 5 PCB वर दोन जवळचे ट्रेस लेआउट, परजीवी कॅपेसिटन्स तयार करणे सोपे आहे. या प्रकारच्या कॅपॅसिटन्सच्या अस्तित्वामुळे, एका ट्रेसवर वेगवान व्होल्टेज बदल दुसऱ्या ट्रेसवर वर्तमान सिग्नल तयार करू शकतो.

आकृती 6 जर तुम्ही ट्रेसच्या प्लेसमेंटकडे लक्ष दिले नाही, तर PCB मधील ट्रेस लाइन इंडक्टन्स आणि म्युच्युअल इंडक्टन्स तयार करू शकतात. हे परजीवी इंडक्टन्स डिजिटल स्विचिंग सर्किट्ससह सर्किट्सच्या ऑपरेशनसाठी खूप हानिकारक आहे.

▍घटक स्थान

वर नमूद केल्याप्रमाणे, प्रत्येक पीसीबी डिझाइनमध्ये, सर्किटचा आवाज भाग आणि "शांत" भाग (आवाज नसलेला भाग) वेगळे केले जावेत. सर्वसाधारणपणे बोलायचे झाल्यास, डिजिटल सर्किट्स आवाजाने “समृद्ध” असतात आणि आवाजासाठी असंवेदनशील असतात (कारण डिजिटल सर्किट्समध्ये मोठ्या व्होल्टेजची आवाज सहनशीलता असते); याउलट, ॲनालॉग सर्किट्सची व्होल्टेज आवाज सहनशीलता खूपच लहान आहे.

दोनपैकी, ॲनालॉग सर्किट्स स्विचिंग आवाजासाठी सर्वात संवेदनशील असतात. मिश्र-सिग्नल प्रणालीच्या वायरिंगमध्ये, आकृती 4 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, हे दोन सर्किट वेगळे केले पाहिजेत.
　　
▍ PCB डिझाइनद्वारे व्युत्पन्न केलेले परजीवी घटक

PCB डिझाइनमध्ये समस्या निर्माण करणारे दोन मूलभूत परजीवी घटक सहजपणे तयार होतात: परजीवी कॅपेसिटन्स आणि परजीवी इंडक्टन्स.

सर्किट बोर्ड डिझाइन करताना, दोन ट्रेस एकमेकांच्या जवळ ठेवल्याने परजीवी कॅपॅसिटन्स निर्माण होईल. आपण हे करू शकता: दोन वेगवेगळ्या स्तरांवर, एक ट्रेस दुसर्या ट्रेसच्या वर ठेवा; किंवा त्याच लेयरवर, आकृती 5 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, दुसऱ्या ट्रेसच्या पुढे एक ट्रेस ठेवा.
　　
या दोन ट्रेस कॉन्फिगरेशनमध्ये, एका ट्रेसवर (dV/dt) वेळेनुसार व्होल्टेजमधील बदलांमुळे दुसऱ्या ट्रेसवर विद्युतप्रवाह होऊ शकतो. जर दुसरा ट्रेस उच्च प्रतिबाधा असेल, तर विद्युत क्षेत्राद्वारे निर्माण होणारा विद्युत् प्रवाह व्होल्टेजमध्ये रूपांतरित होईल.
　　
फास्ट व्होल्टेज ट्रान्सियंट्स बहुतेकदा ॲनालॉग सिग्नल डिझाइनच्या डिजिटल बाजूवर आढळतात. जर फास्ट व्होल्टेज ट्रान्सियंट्ससह ट्रेस उच्च-प्रतिबाधा ॲनालॉग ट्रेसच्या जवळ असतील, तर ही त्रुटी ॲनालॉग सर्किटच्या अचूकतेवर गंभीरपणे परिणाम करेल. या वातावरणात, ॲनालॉग सर्किट्सचे दोन तोटे आहेत: त्यांची ध्वनी सहिष्णुता डिजिटल सर्किट्सपेक्षा खूपच कमी आहे; आणि उच्च प्रतिबाधा ट्रेस अधिक सामान्य आहेत.
　　
खालील दोन तंत्रांपैकी एक वापरल्याने ही घटना कमी होऊ शकते. कॅपेसिटन्स समीकरणानुसार ट्रेसमधील आकार बदलणे हे सर्वात सामान्यपणे वापरले जाणारे तंत्र आहे. बदलण्यासाठी सर्वात प्रभावी आकार म्हणजे दोन ट्रेसमधील अंतर. हे लक्षात घेतले पाहिजे की व्हेरिएबल d हे कॅपेसिटन्स समीकरणाच्या भाजकात आहे. जसजसे d वाढेल, कॅपेसिटिव्ह प्रतिक्रिया कमी होईल. आणखी एक व्हेरिएबल जे बदलले जाऊ शकते ते दोन ट्रेसची लांबी आहे. या प्रकरणात, लांबी एल कमी होते आणि दोन ट्रेसमधील कॅपेसिटिव्ह प्रतिक्रिया देखील कमी होईल.
　　
आणखी एक तंत्र म्हणजे या दोन ट्रेसमध्ये ग्राउंड वायर घालणे. ग्राउंड वायर कमी प्रतिबाधा आहे, आणि आकृती 5 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, यासारखे दुसरे ट्रेस जोडल्याने हस्तक्षेप विद्युत क्षेत्र कमकुवत होईल.
　　
सर्किट बोर्डमधील परजीवी इंडक्टन्सचे तत्त्व परजीवी कॅपेसिटन्ससारखेच आहे. हे दोन ट्रेस बाहेर घालणे देखील आहे. दोन वेगवेगळ्या स्तरांवर, दुसर्या ट्रेसच्या वर एक ट्रेस ठेवा; किंवा त्याच लेयरवर, आकृती 6 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, एक ट्रेस दुसऱ्याच्या पुढे ठेवा.

या दोन वायरिंग कॉन्फिगरेशनमध्ये, या ट्रेसच्या इंडक्टन्समुळे, वेळेनुसार ट्रेसचा वर्तमान बदल (dI/dt) त्याच ट्रेसवर व्होल्टेज निर्माण करेल; आणि म्युच्युअल इंडक्टन्सच्या अस्तित्वामुळे, इतर ट्रेसवर एक आनुपातिक प्रवाह निर्माण होईल. पहिल्या ट्रेसवरील व्होल्टेज बदल पुरेसे मोठे असल्यास, हस्तक्षेप डिजिटल सर्किटची व्होल्टेज सहनशीलता कमी करू शकते आणि त्रुटी निर्माण करू शकते. ही घटना केवळ डिजिटल सर्किट्समध्येच घडत नाही, परंतु डिजिटल सर्किट्समध्ये मोठ्या तात्काळ स्विचिंग करंटमुळे ही घटना डिजिटल सर्किट्समध्ये अधिक सामान्य आहे.
　　
इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक हस्तक्षेप स्त्रोतांपासून संभाव्य आवाज दूर करण्यासाठी, गोंगाट करणाऱ्या I/O पोर्ट्सपासून "शांत" ॲनालॉग रेषा विभक्त करणे सर्वोत्तम आहे. कमी-प्रतिबाधा शक्ती आणि ग्राउंड नेटवर्क प्राप्त करण्याचा प्रयत्न करण्यासाठी, डिजिटल सर्किट वायर्सचे इंडक्टन्स कमी केले पाहिजे आणि ॲनालॉग सर्किट्सचे कॅपेसिटिव्ह कपलिंग कमी केले पाहिजे.
　　
03

निष्कर्ष

डिजिटल आणि ॲनालॉग श्रेणी निर्धारित केल्यानंतर, यशस्वी PCB साठी काळजीपूर्वक राउटिंग आवश्यक आहे. वायरिंग स्ट्रॅटेजी सामान्यत: प्रत्येकासाठी अंगठ्याचा नियम म्हणून ओळखली जाते, कारण प्रयोगशाळेच्या वातावरणात उत्पादनाच्या अंतिम यशाची चाचणी करणे कठीण आहे. म्हणूनच, डिजिटल आणि ॲनालॉग सर्किट्सच्या वायरिंग धोरणांमध्ये समानता असूनही, त्यांच्या वायरिंग धोरणांमधील फरक ओळखले पाहिजे आणि गांभीर्याने घेतले पाहिजे.