Antallet digitale designere og eksperter på design av digitale kretskort innen ingeniørfeltet øker stadig, noe som gjenspeiler utviklingstrenden i bransjen. Selv om vektleggingen av digital design har ført til store utviklinger innen elektroniske produkter, eksisterer den fortsatt, og det vil alltid være noen kretsdesign som har grensesnitt med analoge eller virkelige miljøer. Kablingsstrategier i det analoge og digitale feltet har noen likheter, men når du ønsker å få bedre resultater, på grunn av deres forskjellige ledningsstrategier, er enkel kretsledningsdesign ikke lenger den optimale løsningen.

Denne artikkelen diskuterer de grunnleggende likhetene og forskjellene mellom analoge og digitale ledninger når det gjelder bypass-kondensatorer, strømforsyninger, jorddesign, spenningsfeil og elektromagnetisk interferens (EMI) forårsaket av PCB-kabling.

Antallet digitale designere og eksperter på design av digitale kretskort innen ingeniørfeltet øker stadig, noe som gjenspeiler utviklingstrenden i bransjen. Selv om vektleggingen av digital design har ført til store utviklinger innen elektroniske produkter, eksisterer den fortsatt, og det vil alltid være noen kretsdesign som har grensesnitt med analoge eller virkelige miljøer. Kablingsstrategier i det analoge og digitale feltet har noen likheter, men når du ønsker å få bedre resultater, på grunn av deres forskjellige ledningsstrategier, er enkel kretsledningsdesign ikke lenger den optimale løsningen.

Denne artikkelen diskuterer de grunnleggende likhetene og forskjellene mellom analoge og digitale ledninger når det gjelder bypass-kondensatorer, strømforsyninger, jorddesign, spenningsfeil og elektromagnetisk interferens (EMI) forårsaket av PCB-kabling.

Å legge til bypass- eller frakoblingskondensatorer på kretskortet og plasseringen av disse kondensatorene på kortet er sunn fornuft for digitale og analoge design. Men interessant nok er årsakene forskjellige.

I analog ledningsdesign brukes bypass-kondensatorer vanligvis for å omgå høyfrekvente signaler på strømforsyningen. Hvis bypass-kondensatorer ikke legges til, kan disse høyfrekvente signalene komme inn i sensitive analoge brikker gjennom strømforsyningspinnene. Generelt sett overskrider frekvensen til disse høyfrekvente signalene evnen til analoge enheter til å undertrykke høyfrekvente signaler. Hvis bypass-kondensatoren ikke brukes i den analoge kretsen, kan det introduseres støy i signalbanen, og i mer alvorlige tilfeller kan det til og med forårsake vibrasjon.

I analog og digital PCB-design bør bypass- eller avkoblingskondensatorer (0,1uF) plasseres så nær enheten som mulig. Avkoblingskondensatoren for strømforsyningen (10uF) skal plasseres ved inngangen til strømledningen til kretskortet. I alle tilfeller bør pinnene til disse kondensatorene være korte.

På kretskortet i figur 2 brukes forskjellige ruter for å rute strøm- og jordledninger. På grunn av dette feilaktige samarbeidet er det mer sannsynlig at de elektroniske komponentene og kretsene på kretskortet blir utsatt for elektromagnetisk interferens.

I enkeltpanelet i figur 3 er strøm- og jordledningene til komponentene på kretskortet nær hverandre. Tilpasningsforholdet mellom kraftledningen og jordledningen i dette kretskortet er passende som vist i figur 2. Sannsynligheten for at elektroniske komponenter og kretser i kretskortet blir utsatt for elektromagnetisk interferens (EMI) reduseres med 679/12,8 ganger eller ca 54 ganger.
　　
For digitale enheter som kontrollere og prosessorer kreves også avkoblingskondensatorer, men av forskjellige grunner. En funksjon av disse kondensatorene er å fungere som en "miniatyr" ladebank.

I digitale kretser kreves det vanligvis en stor mengde strøm for å utføre porttilstandssvitsjing. Siden koblingstransiente strømmer genereres på brikken under svitsjing og flyt gjennom kretskortet, er det fordelaktig å ha ekstra "reserve"-ladninger. Hvis det ikke er nok ladning når du utfører byttehandlingen, vil strømforsyningsspenningen endres kraftig. For mye spenningsendring vil føre til at det digitale signalnivået går inn i en usikker tilstand, og kan føre til at tilstandsmaskinen i den digitale enheten fungerer feil.

Byttestrømmen som strømmer gjennom kretskortsporet vil føre til at spenningen endres, og kretskortsporet har parasittisk induktans. Følgende formel kan brukes for å beregne spenningsendringen: V = LdI/dt. Blant dem: V = spenningsendring, L = kretskortsporinduktans, dI = strømendring gjennom sporet, dt = strømendringstid.
　　
Derfor, av mange grunner, er det bedre å bruke bypass (eller frakobling) kondensatorer på strømforsyningen eller på strømforsyningspinnene til aktive enheter.

Strømledningen og jordledningen skal legges sammen

Plasseringen av strømledningen og jordledningen er godt tilpasset for å redusere muligheten for elektromagnetisk interferens. Hvis kraftledningen og jordledningen ikke er riktig tilpasset, vil en systemsløyfe bli utformet og støy vil sannsynligvis bli generert.

Et eksempel på en PCB-design hvor kraftledningen og jordledningen ikke er riktig tilpasset er vist i figur 2. På dette kretskortet er det utformede sløyfeområdet 697 cm². Ved å bruke metoden vist i figur 3, kan muligheten for at utstrålt støy på eller utenfor kretskortet induserer spenning i sløyfen reduseres betraktelig.

Forskjellen mellom analoge og digitale ledningsstrategier

▍ Jordplanet er et problem

Den grunnleggende kunnskapen om kretskortkabling er anvendelig for både analoge og digitale kretser. En grunnleggende tommelfingerregel er å bruke et uavbrutt jordplan. Denne sunne fornuften reduserer dI/dt-effekten (endring i strøm med tiden) i digitale kretser, som endrer jordpotensialet og får støy til å komme inn i analoge kretser.

Koblingsteknikkene for digitale og analoge kretser er i utgangspunktet de samme, med ett unntak. For analoge kretser er det et annet poeng å merke seg, det vil si å holde de digitale signallinjene og løkkene i jordplanet så langt unna de analoge kretsene som mulig. Dette kan oppnås ved å koble det analoge jordplanet til systemets jordforbindelse separat, eller plassere den analoge kretsen ytterst på kretskortet, som er enden av linjen. Dette gjøres for å holde den eksterne interferensen på signalbanen til et minimum.

Det er ikke nødvendig å gjøre dette for digitale kretser, som kan tåle mye støy på jordplanet uten problemer.

Figur 4 (til venstre) isolerer den digitale svitsjehandlingen fra den analoge kretsen og skiller de digitale og analoge delene av kretsen. (Høyre) Høyfrekvensen og lavfrekvensen bør skilles så mye som mulig, og høyfrekvenskomponentene bør være nær kretskortkontaktene.

Figur 5 Layout to nære spor på PCB, er det lett å danne parasittisk kapasitans. På grunn av eksistensen av denne typen kapasitans, kan en rask spenningsendring på ett spor generere et strømsignal på det andre sporet.

Figur 6 Hvis du ikke tar hensyn til plasseringen av sporene, kan sporene i PCB produsere linjeinduktans og gjensidig induktans. Denne parasittiske induktansen er svært skadelig for driften av kretser inkludert digitale svitsjekretser.

▍ Komponentplassering

Som nevnt ovenfor, i hver PCB-design, bør støydelen av kretsen og den "stille" delen (ikke-støydelen) skilles. Generelt sett er digitale kretser "rike" på støy og er ufølsomme for støy (fordi digitale kretser har en større spenningsstøytoleranse); tvert imot er spenningsstøytoleransen til analoge kretser mye mindre.

Av de to er analoge kretser de mest følsomme for byttestøy. I kablingen til et system med blandet signal bør disse to kretsene skilles fra hverandre, som vist i figur 4.
　　
▍Parasittiske komponenter generert av PCB-design

To grunnleggende parasittiske elementer som kan forårsake problemer dannes lett i PCB-design: parasittisk kapasitans og parasittisk induktans.

Når du designer et kretskort, vil plassering av to spor nær hverandre generere parasittisk kapasitans. Du kan gjøre dette: På to forskjellige lag legger du det ene sporet oppå det andre sporet; eller på samme lag, plasser ett spor ved siden av det andre sporet, som vist i figur 5.
　　
I disse to kurvekonfigurasjonene kan endringer i spenning over tid (dV/dt) på den ene kurven forårsake strøm på den andre kurven. Hvis det andre sporet har høy impedans, vil strømmen som genereres av det elektriske feltet bli konvertert til spenning.
　　
Raske spenningstransienter forekommer oftest på den digitale siden av det analoge signaldesignet. Hvis sporene med raske spenningstransienter er nær analoge spor med høy impedans, vil denne feilen alvorlig påvirke nøyaktigheten til den analoge kretsen. I dette miljøet har analoge kretser to ulemper: deres støytoleranse er mye lavere enn for digitale kretser; og spor med høy impedans er mer vanlig.
　　
Ved å bruke en av de følgende to teknikkene kan du redusere dette fenomenet. Den mest brukte teknikken er å endre størrelsen mellom sporene i henhold til kapasitansligningen. Den mest effektive størrelsen å endre er avstanden mellom de to sporene. Det skal bemerkes at variabelen d er i nevneren til kapasitansligningen. Når d øker, vil den kapasitive reaktansen avta. En annen variabel som kan endres er lengden på de to sporene. I dette tilfellet avtar lengden L, og den kapasitive reaktansen mellom de to sporene vil også avta.
　　
En annen teknikk er å legge en jordledning mellom disse to sporene. Jordledningen har lav impedans, og å legge til et annet spor som dette vil svekke det elektriske interferensfeltet, som vist i figur 5.
　　
Prinsippet for parasittisk induktans i kretskortet ligner på parasittisk kapasitans. Det er også å legge ut to spor. På to forskjellige lag legger du det ene sporet oppå det andre sporet; eller på samme lag, plasser ett spor ved siden av det andre, som vist i figur 6.

I disse to ledningskonfigurasjonene vil strømendringen (dI/dt) av en trase over tid, på grunn av induktansen til denne trasen, generere spenning på samme trase; og på grunn av eksistensen av gjensidig induktans, vil det En proporsjonal strøm genereres på den andre trasen. Hvis spenningsendringen på den første kurven er stor nok, kan interferens redusere spenningstoleransen til den digitale kretsen og forårsake feil. Dette fenomenet forekommer ikke bare i digitale kretser, men dette fenomenet er mer vanlig i digitale kretser på grunn av de store øyeblikkelige svitsjestrømmene i digitale kretser.
　　
For å eliminere potensiell støy fra elektromagnetiske interferenskilder, er det best å skille "stille" analoge linjer fra støyende I/O-porter. For å prøve å oppnå et strøm- og jordnettverk med lav impedans, bør induktansen til digitale kretsledninger minimeres, og den kapasitive koblingen til analoge kretser bør minimeres.
　　
03

Konklusjon

Etter at de digitale og analoge områdene er bestemt, er nøye ruting avgjørende for et vellykket PCB. Kablingsstrategi introduseres vanligvis for alle som en tommelfingerregel, fordi det er vanskelig å teste produktets endelige suksess i et laboratoriemiljø. Derfor, til tross for likhetene i ledningsstrategiene til digitale og analoge kretser, må forskjellene i ledningsstrategiene deres anerkjennes og tas på alvor.