Dalam reka bentuk PCB, mengapa perbezaan antara litar analog dan litar digital begitu besar?

Bilangan pereka digital dan pakar reka bentuk papan litar digital dalam bidang kejuruteraan sentiasa meningkat, yang mencerminkan trend pembangunan industri. Walaupun penekanan pada reka bentuk digital telah membawa perkembangan besar dalam produk elektronik, ia masih wujud, dan akan sentiasa ada beberapa reka bentuk litar yang antara muka dengan persekitaran analog atau sebenar. Strategi pendawaian dalam medan analog dan digital mempunyai beberapa persamaan, tetapi apabila anda ingin mendapatkan hasil yang lebih baik, kerana strategi pendawaian mereka yang berbeza, reka bentuk pendawaian litar ringkas bukan lagi penyelesaian yang optimum.

Artikel ini membincangkan persamaan dan perbezaan asas antara pendawaian analog dan digital dari segi kapasitor pintasan, bekalan kuasa, reka bentuk tanah, ralat voltan, dan gangguan elektromagnet (EMI) yang disebabkan oleh pendawaian PCB.

Menambah kapasitor pintasan atau penyahgandingan pada papan litar dan lokasi kapasitor ini pada papan adalah akal untuk reka bentuk digital dan analog. Tetapi yang menarik, sebabnya berbeza.

Dalam reka bentuk pendawaian analog, kapasitor pintasan biasanya digunakan untuk memintas isyarat frekuensi tinggi pada bekalan kuasa. Jika kapasitor pintasan tidak ditambah, isyarat frekuensi tinggi ini mungkin memasuki cip analog sensitif melalui pin bekalan kuasa. Secara umumnya, kekerapan isyarat frekuensi tinggi ini melebihi keupayaan peranti analog untuk menyekat isyarat frekuensi tinggi. Jika kapasitor pintasan tidak digunakan dalam litar analog, hingar mungkin diperkenalkan dalam laluan isyarat, dan dalam kes yang lebih serius, ia juga boleh menyebabkan getaran.

Dalam reka bentuk PCB analog dan digital, kapasitor pintasan atau penyahgandingan (0.1uF) hendaklah diletakkan sedekat mungkin dengan peranti. Kapasitor penyahgandingan bekalan kuasa (10uF) hendaklah diletakkan di pintu masuk talian kuasa papan litar. Dalam semua kes, pin kapasitor ini hendaklah pendek.

Pada papan litar dalam Rajah 2, laluan berbeza digunakan untuk menghalakan wayar kuasa dan pembumian. Disebabkan kerjasama yang tidak betul ini, komponen dan litar elektronik pada papan litar lebih berkemungkinan tertakluk kepada gangguan elektromagnet.

Dalam panel tunggal Rajah 3, wayar kuasa dan pembumian kepada komponen pada papan litar adalah rapat antara satu sama lain. Nisbah padanan talian kuasa dan talian bumi dalam papan litar ini adalah sesuai seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Kebarangkalian komponen elektronik dan litar dalam papan litar tertakluk kepada gangguan elektromagnet (EMI) dikurangkan sebanyak 679/12.8 kali atau kira-kira 54 kali.
　　
Untuk peranti digital seperti pengawal dan pemproses, kapasitor penyahgandingan juga diperlukan, tetapi atas sebab yang berbeza. Satu fungsi kapasitor ini adalah untuk bertindak sebagai bank caj "miniatur".

Dalam litar digital, sejumlah besar arus biasanya diperlukan untuk melakukan pensuisan keadaan get. Memandangkan pensuisan arus sementara dijana pada cip semasa pensuisan dan aliran melalui papan litar, adalah berfaedah untuk mempunyai caj "ganti" tambahan. Jika cas tidak mencukupi semasa melakukan tindakan pensuisan, voltan bekalan kuasa akan berubah dengan banyak. Terlalu banyak perubahan voltan akan menyebabkan tahap isyarat digital memasuki keadaan tidak menentu, dan boleh menyebabkan mesin keadaan dalam peranti digital beroperasi dengan tidak betul.

Arus pensuisan yang mengalir melalui surih papan litar akan menyebabkan voltan berubah, dan surih papan litar mempunyai kearuhan parasit. Formula berikut boleh digunakan untuk mengira perubahan voltan: V = LdI/dt. Antaranya: V = perubahan voltan, L = kearuhan surih papan litar, dI = perubahan arus melalui surih, dt = masa perubahan arus.
　　
Oleh itu, atas banyak sebab, lebih baik menggunakan kapasitor pintasan (atau decoupling) pada bekalan kuasa atau pada pin bekalan kuasa peranti aktif.

Kord kuasa dan wayar pembumian hendaklah disalurkan bersama

Kedudukan kord kuasa dan wayar pembumian dipadankan dengan baik untuk mengurangkan kemungkinan gangguan elektromagnet. Jika talian kuasa dan talian bumi tidak dipadankan dengan betul, gelung sistem akan direka bentuk dan bunyi mungkin akan dihasilkan.

Contoh reka bentuk PCB di mana talian kuasa dan talian bumi tidak dipadankan dengan betul ditunjukkan dalam Rajah 2. Pada papan litar ini, kawasan gelung yang direka bentuk ialah 697cm². Dengan menggunakan kaedah yang ditunjukkan dalam Rajah 3, kemungkinan bunyi terpancar di dalam atau di luar voltan aruh papan litar dalam gelung boleh dikurangkan dengan banyak.

Perbezaan antara strategi pendawaian analog dan digital

▍Satah darat adalah masalah

Pengetahuan asas pendawaian papan litar boleh digunakan untuk kedua-dua litar analog dan digital. Peraturan asas ialah menggunakan satah tanah tanpa gangguan. Akal sehat ini mengurangkan kesan dI/dt (perubahan arus dengan masa) dalam litar digital, yang mengubah potensi tanah dan menyebabkan hingar memasuki litar analog.

Teknik pendawaian untuk litar digital dan analog pada asasnya adalah sama, dengan satu pengecualian. Untuk litar analog, terdapat satu lagi perkara yang perlu diberi perhatian, iaitu, pastikan garis isyarat digital dan gelung dalam satah tanah sejauh mungkin daripada litar analog. Ini boleh dicapai dengan menyambungkan satah tanah analog ke sambungan tanah sistem secara berasingan, atau meletakkan litar analog di hujung papan litar, iaitu hujung talian. Ini dilakukan untuk memastikan gangguan luaran pada laluan isyarat pada tahap minimum.

Tidak perlu melakukan ini untuk litar digital, yang boleh bertolak ansur dengan banyak bunyi pada satah darat tanpa masalah.

Rajah 4 (kiri) mengasingkan tindakan pensuisan digital daripada litar analog dan mengasingkan bahagian digital dan analog litar. (Kanan) Frekuensi tinggi dan frekuensi rendah hendaklah diasingkan sebanyak mungkin, dan komponen frekuensi tinggi hendaklah berdekatan dengan penyambung papan litar.

Rajah 5 Susun atur dua kesan rapat pada PCB, ia adalah mudah untuk membentuk kemuatan parasit. Disebabkan kewujudan kapasitansi jenis ini, perubahan voltan yang pantas pada satu jejak boleh menghasilkan isyarat semasa pada jejak yang lain.

Rajah 6 Jika anda tidak memberi perhatian kepada penempatan jejak, kesan dalam PCB boleh menghasilkan kearuhan talian dan kearuhan bersama. Kearuhan parasit ini sangat berbahaya kepada operasi litar termasuk litar pensuisan digital.

▍Lokasi komponen

Seperti yang dinyatakan di atas, dalam setiap reka bentuk PCB, bahagian bunyi litar dan bahagian "senyap" (bahagian bukan bunyi) hendaklah dipisahkan. Secara umumnya, litar digital adalah "kaya" dengan hingar dan tidak sensitif kepada hingar (kerana litar digital mempunyai toleransi hingar voltan yang lebih besar); sebaliknya, toleransi hingar voltan litar analog adalah lebih kecil.

Daripada kedua-dua, litar analog adalah yang paling sensitif terhadap bunyi bising. Dalam pendawaian sistem isyarat bercampur, kedua-dua litar ini harus diasingkan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
　　
▍Komponen parasit yang dihasilkan oleh reka bentuk PCB

Dua unsur parasit asas yang boleh menyebabkan masalah mudah dibentuk dalam reka bentuk PCB: kemuatan parasit dan kearuhan parasit.

Apabila mereka bentuk papan litar, meletakkan dua jejak berdekatan antara satu sama lain akan menjana kemuatan parasit. Anda boleh melakukan ini: Pada dua lapisan berbeza, letakkan satu jejak di atas jejak yang lain; atau pada lapisan yang sama, letakkan satu jejak di sebelah jejak yang lain, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.
　　
Dalam dua konfigurasi surih ini, perubahan voltan dari semasa ke semasa (dV/dt) pada satu surih boleh menyebabkan arus pada surih yang lain. Jika jejak lain adalah impedans tinggi, arus yang dihasilkan oleh medan elektrik akan ditukar kepada voltan.
　　
Transien voltan pantas paling kerap berlaku pada bahagian digital reka bentuk isyarat analog. Jika jejak dengan transien voltan pantas adalah hampir dengan jejak analog berimpedans tinggi, ralat ini akan menjejaskan ketepatan litar analog dengan serius. Dalam persekitaran ini, litar analog mempunyai dua kelemahan: toleransi hingar mereka jauh lebih rendah daripada litar digital; dan kesan impedans tinggi adalah lebih biasa.
　　
Menggunakan salah satu daripada dua teknik berikut boleh mengurangkan fenomena ini. Teknik yang paling biasa digunakan ialah menukar saiz antara surih mengikut persamaan kemuatan. Saiz yang paling berkesan untuk diubah ialah jarak antara dua jejak. Perlu diingatkan bahawa pembolehubah d berada dalam penyebut persamaan kemuatan. Apabila d bertambah, tindak balas kapasitif akan berkurangan. Pembolehubah lain yang boleh diubah ialah panjang dua jejak. Dalam kes ini, panjang L berkurangan, dan reaktans kapasitif antara dua jejak juga akan berkurangan.
　　
Teknik lain ialah meletakkan wayar tanah di antara dua jejak ini. Wayar tanah adalah impedans rendah, dan menambah satu lagi jejak seperti ini akan melemahkan medan elektrik gangguan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.
　　
Prinsip kearuhan parasit dalam papan litar adalah serupa dengan kemuatan parasit. Ia juga untuk meletakkan dua jejak. Pada dua lapisan yang berbeza, letakkan satu jejak di atas jejak yang lain; atau pada lapisan yang sama, letakkan satu jejak di sebelah yang lain, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.

Dalam dua konfigurasi pendawaian ini, perubahan semasa (dI/dt) surih dengan masa, disebabkan oleh kearuhan surih ini, akan menjana voltan pada surih yang sama; dan disebabkan kewujudan induktansi bersama, ia akan Arus berkadar dijana pada jejak yang lain. Jika perubahan voltan pada surih pertama cukup besar, gangguan boleh mengurangkan toleransi voltan litar digital dan menyebabkan ralat. Fenomena ini bukan sahaja berlaku dalam litar digital, malah fenomena ini lebih kerap berlaku dalam litar digital kerana arus pensuisan segera yang besar dalam litar digital.
　　
Untuk menghapuskan bunyi yang berpotensi daripada sumber gangguan elektromagnet, adalah lebih baik untuk memisahkan talian analog "tenang" daripada port I/O yang bising. Untuk cuba mencapai rangkaian kuasa dan pembumian impedans rendah, induktansi wayar litar digital harus diminimumkan, dan gandingan kapasitif litar analog harus diminimumkan.
　　
03

Kesimpulan

Selepas julat digital dan analog ditentukan, penghalaan berhati-hati adalah penting untuk PCB yang berjaya. Strategi pendawaian biasanya diperkenalkan kepada semua orang sebagai peraturan praktikal, kerana sukar untuk menguji kejayaan muktamad produk dalam persekitaran makmal. Oleh itu, walaupun terdapat persamaan dalam strategi pendawaian litar digital dan analog, perbezaan dalam strategi pendawaian mereka mesti diiktiraf dan diambil serius.