Waarom is bij PCB-ontwerp het verschil tussen analoge circuits en digitale circuits zo groot?

Het aantal digitale ontwerpers en experts op het gebied van ontwerp van digitale printplaten op technisch gebied neemt voortdurend toe, wat de ontwikkelingstrend van de industrie weerspiegelt.Hoewel de nadruk op digitaal ontwerp tot grote ontwikkelingen op het gebied van elektronische producten heeft geleid, bestaat deze nog steeds, en er zullen altijd circuitontwerpen zijn die een interface hebben met analoge of echte omgevingen.Bedradingsstrategieën op analoog en digitaal gebied hebben enkele overeenkomsten, maar als je betere resultaten wilt behalen vanwege hun verschillende bedradingsstrategieën, is een eenvoudig bedradingsontwerp niet langer de optimale oplossing.

Dit artikel bespreekt de fundamentele overeenkomsten en verschillen tussen analoge en digitale bedrading in termen van bypass-condensatoren, voedingen, aardingsontwerp, spanningsfouten en elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaakt door PCB-bedrading.

Het toevoegen van bypass- of ontkoppelcondensatoren op de printplaat en de locatie van deze condensatoren op de printplaat zijn logisch voor digitale en analoge ontwerpen.Maar interessant genoeg zijn de redenen anders.

Bij het ontwerpen van analoge bedrading worden doorgaans bypass-condensatoren gebruikt om hoogfrequente signalen op de voeding te omzeilen.Als er geen bypass-condensatoren worden toegevoegd, kunnen deze hoogfrequente signalen via de voedingspinnen gevoelige analoge chips binnendringen.Over het algemeen overschrijdt de frequentie van deze hoogfrequente signalen het vermogen van analoge apparaten om hoogfrequente signalen te onderdrukken.Als de bypass-condensator niet wordt gebruikt in het analoge circuit, kan er ruis in het signaalpad worden geïntroduceerd, en in ernstiger gevallen kan dit zelfs trillingen veroorzaken.

Bij analoog en digitaal PCB-ontwerp moeten bypass- of ontkoppelingscondensatoren (0,1 uF) zo dicht mogelijk bij het apparaat worden geplaatst.De ontkoppelcondensator voor de voeding (10uF) moet bij de voedingslijningang van de printplaat worden geplaatst.In alle gevallen moeten de pinnen van deze condensatoren kort zijn.

Op de printplaat in Figuur 2 worden verschillende routes gebruikt om de stroom- en aardedraden te geleiden.Door deze onjuiste samenwerking is de kans groter dat de elektronische componenten en circuits op de printplaat onderhevig zijn aan elektromagnetische interferentie.

In het enkele paneel van Figuur 3 bevinden de stroom- en aardedraden naar de componenten op de printplaat zich dicht bij elkaar.De afstemmingsverhouding tussen de voedingslijn en de aardleiding in deze printplaat is geschikt, zoals weergegeven in Figuur 2. De kans dat elektronische componenten en circuits in de printplaat worden blootgesteld aan elektromagnetische interferentie (EMI) wordt met 679/12,8 keer verminderd of ongeveer 54 keer.
　　
Voor digitale apparaten zoals controllers en processors zijn ook ontkoppelcondensatoren vereist, maar om verschillende redenen.Eén functie van deze condensatoren is om te fungeren als een “miniatuur” ladingsbank.

In digitale circuits is doorgaans een grote hoeveelheid stroom nodig om de poortstatus te schakelen.Omdat tijdens het schakelen op de chip transiënte schakelstromen worden gegenereerd die door de printplaat stromen, is het voordelig om extra “reserve” ladingen te hebben.Als er niet voldoende lading is bij het uitvoeren van de schakelactie, zal de voedingsspanning sterk veranderen.Een te grote spanningsverandering zal ervoor zorgen dat het digitale signaalniveau in een onzekere toestand terechtkomt, en kan ertoe leiden dat de toestandsmachine in het digitale apparaat niet goed werkt.

De schakelstroom die door het circuitbordspoor vloeit, zal ervoor zorgen dat de spanning verandert, en het circuitbordspoor heeft een parasitaire inductie.De volgende formule kan worden gebruikt om de spanningsverandering te berekenen: V = LdI/dt.Onder hen: V = spanningsverandering, L = spoorinductie van de printplaat, dI = stroomverandering door het spoor, dt = stroomveranderingstijd.
　　
Daarom is het om vele redenen beter om bypass-condensatoren (of ontkoppelingscondensatoren) aan te brengen op de voeding of op de voedingspinnen van actieve apparaten.

Het netsnoer en de aardedraad moeten samen worden geleid

De positie van het netsnoer en de aardedraad zijn goed op elkaar afgestemd om de kans op elektromagnetische interferentie te verminderen.Als de voedingslijn en de aardleiding niet goed op elkaar zijn afgestemd, wordt er een systeemlus ontworpen en zal er waarschijnlijk ruis worden gegenereerd.

Een voorbeeld van een PCB-ontwerp waarbij de voedingslijn en de aardleiding niet goed op elkaar aansluiten, wordt weergegeven in Figuur 2. Op deze printplaat is het ontworpen lusoppervlak 697 cm².Met behulp van de in figuur 3 getoonde methode kan de mogelijkheid dat uitgestraalde ruis op of van de printplaat spanning in de lus induceert aanzienlijk worden verminderd.

Het verschil tussen analoge en digitale bedradingsstrategieën

▍Het grondvlak is een probleem

De basiskennis van de bedrading van printplaten is van toepassing op zowel analoge als digitale circuits.Een basisregel is om een ononderbroken grondvlak te gebruiken.Dit gezonde verstand vermindert het dI/dt-effect (stroomverandering in de loop van de tijd) in digitale circuits, waardoor het aardpotentiaal verandert en ervoor zorgt dat er ruis in analoge circuits terechtkomt.

De bedradingstechnieken voor digitale en analoge circuits zijn in principe hetzelfde, met één uitzondering.Voor analoge circuits is er nog een ander punt om op te merken: houd de digitale signaallijnen en lussen in het aardvlak zo ver mogelijk verwijderd van de analoge circuits.Dit kan worden bereikt door het analoge aardvlak afzonderlijk aan te sluiten op de aardverbinding van het systeem, of door het analoge circuit aan het uiteinde van de printplaat te plaatsen, wat het einde van de lijn is.Dit wordt gedaan om de externe interferentie op het signaalpad tot een minimum te beperken.

Voor digitale schakelingen, die zonder problemen veel ruis op het grondvlak kunnen verdragen, is dit niet nodig.

Figuur 4 (links) isoleert de digitale schakelactie van het analoge circuit en scheidt de digitale en analoge delen van het circuit.(Rechts) De hoge frequentie en lage frequentie moeten zoveel mogelijk gescheiden zijn, en de hoogfrequente componenten moeten zich dicht bij de connectoren van de printplaat bevinden.

Figuur 5 Lay-out twee nauwe sporen op de PCB, het is gemakkelijk om parasitaire capaciteit te vormen.Vanwege het bestaan van dit soort capaciteit kan een snelle spanningsverandering op het ene spoor een stroomsignaal op het andere spoor genereren.

Figuur 6 Als u niet op de plaatsing van de sporen let, kunnen de sporen op de print lijninductie en wederzijdse inductie veroorzaken.Deze parasitaire inductantie is zeer schadelijk voor de werking van circuits, inclusief digitale schakelcircuits.

▍Componentlocatie

Zoals hierboven vermeld, moeten in elk PCB-ontwerp het ruisgedeelte van het circuit en het “stille” gedeelte (niet-ruisgedeelte) gescheiden worden.Over het algemeen zijn digitale circuits “rijk” aan ruis en ongevoelig voor ruis (omdat digitale circuits een grotere tolerantie voor spanningsruis hebben);integendeel, de spanningsruistolerantie van analoge circuits is veel kleiner.

Van de twee zijn analoge circuits het meest gevoelig voor schakelruis.Bij de bedrading van een gemengd-signaalsysteem moeten deze twee circuits worden gescheiden, zoals weergegeven in afbeelding 4.
　　
▍Parasitaire componenten gegenereerd door PCB-ontwerp

Bij het ontwerpen van PCB's worden gemakkelijk twee parasitaire basiselementen gevormd die problemen kunnen veroorzaken: parasitaire capaciteit en parasitaire inductie.

Bij het ontwerpen van een printplaat zal het plaatsen van twee sporen dicht bij elkaar een parasitaire capaciteit genereren.U kunt dit doen: Plaats op twee verschillende lagen het ene spoor bovenop het andere spoor;of plaats op dezelfde laag het ene spoor naast het andere spoor, zoals weergegeven in Figuur 5.
　　
In deze twee spoorconfiguraties kunnen veranderingen in de spanning in de loop van de tijd (dV/dt) op het ene spoor stroom veroorzaken op het andere spoor.Als het andere spoor een hoge impedantie heeft, wordt de door het elektrische veld gegenereerde stroom omgezet in spanning.
　　
Snelle spanningstransiënten komen het vaakst voor aan de digitale kant van het analoge signaalontwerp.Als de sporen met snelle spanningstransiënten dicht bij analoge sporen met hoge impedantie liggen, zal deze fout de nauwkeurigheid van het analoge circuit ernstig beïnvloeden.In deze omgeving hebben analoge circuits twee nadelen: hun ruistolerantie is veel lager dan die van digitale circuits;en sporen met hoge impedantie komen vaker voor.
　　
Het gebruik van een van de volgende twee technieken kan dit fenomeen verminderen.De meest gebruikte techniek is het veranderen van de grootte tussen sporen volgens de capaciteitsvergelijking.De meest effectieve grootte om te veranderen is de afstand tussen de twee sporen.Opgemerkt moet worden dat de variabele d in de noemer van de capaciteitsvergelijking staat.Naarmate d toeneemt, zal de capacitieve reactantie afnemen.Een andere variabele die kan worden gewijzigd, is de lengte van de twee sporen.In dit geval neemt de lengte L af en zal de capacitieve reactantie tussen de twee sporen ook afnemen.
　　
Een andere techniek is het leggen van een aardedraad tussen deze twee sporen.De aardedraad heeft een lage impedantie, en het toevoegen van nog zo'n spoor zal het elektrische interferentieveld verzwakken, zoals weergegeven in Figuur 5.
　　
Het principe van parasitaire inductie in de printplaat is vergelijkbaar met dat van parasitaire capaciteit.Het is ook om twee sporen uit te leggen.Plaats op twee verschillende lagen het ene spoor bovenop het andere spoor;of plaats op dezelfde laag het ene spoor naast het andere, zoals weergegeven in Figuur 6.

In deze twee bedradingsconfiguraties zal de stroomverandering (dI/dt) van een spoor in de tijd, als gevolg van de inductie van dit spoor, spanning op hetzelfde spoor genereren;en vanwege het bestaan van wederzijdse inductie zal er een proportionele stroom worden gegenereerd op het andere spoor.Als de spanningsverandering op het eerste spoor groot genoeg is, kan interferentie de spanningstolerantie van het digitale circuit verminderen en fouten veroorzaken.Dit fenomeen doet zich niet alleen voor in digitale circuits, maar komt vaker voor in digitale circuits vanwege de grote momentane schakelstromen in digitale circuits.
　　
Om potentiële ruis van bronnen van elektromagnetische interferentie te elimineren, kunt u het beste “stille” analoge lijnen scheiden van luidruchtige I/O-poorten.Om te proberen een stroom- en aardnetwerk met lage impedantie te bereiken, moet de inductie van digitale circuitdraden worden geminimaliseerd en moet de capacitieve koppeling van analoge circuits worden geminimaliseerd.
　　
03

Conclusie

Nadat het digitale en analoge bereik zijn bepaald, is een zorgvuldige routing essentieel voor een succesvolle PCB.De bedradingsstrategie wordt meestal als vuistregel aan iedereen voorgesteld, omdat het moeilijk is om het uiteindelijke succes van het product in een laboratoriumomgeving te testen.Daarom moeten, ondanks de overeenkomsten in de bedradingsstrategieën van digitale en analoge circuits, de verschillen in hun bedradingsstrategieën worden erkend en serieus worden genomen.