Dlaczego w projektowaniu PCB różnica między obwodem analogowym a obwodem cyfrowym jest tak duża?

Liczba projektantów cyfrowych i ekspertów w dziedzinie projektowania obwodów cyfrowych w dziedzinie inżynierii stale rośnie, co odzwierciedla trend rozwojowy branży.Chociaż nacisk na projektowanie cyfrowe spowodował znaczący rozwój produktów elektronicznych, nadal istnieje i zawsze będą istniały projekty obwodów, które będą współdziałać ze środowiskami analogowymi lub rzeczywistymi.Strategie okablowania w obszarach analogowych i cyfrowych mają pewne podobieństwa, ale jeśli chcesz uzyskać lepsze wyniki, ze względu na różne strategie okablowania, proste projektowanie okablowania obwodów nie jest już optymalnym rozwiązaniem.

W tym artykule omówiono podstawowe podobieństwa i różnice między okablowaniem analogowym i cyfrowym pod względem kondensatorów obejściowych, zasilaczy, konstrukcji uziemienia, błędów napięciowych i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) powodowanych przez okablowanie PCB.

Dodanie kondensatorów obejściowych lub odsprzęgających na płytce drukowanej oraz umiejscowienie tych kondensatorów na płytce jest zdrowym rozsądkiem w przypadku projektów cyfrowych i analogowych.Co ciekawe, powody są różne.

W projektowaniu okablowania analogowego kondensatory obejściowe są zwykle używane do omijania sygnałów o wysokiej częstotliwości w zasilaczu.Jeśli nie zostaną dodane kondensatory obejściowe, te sygnały o wysokiej częstotliwości mogą przedostać się do czułych układów analogowych przez styki zasilacza.Ogólnie rzecz biorąc, częstotliwość tych sygnałów o wysokiej częstotliwości przekracza zdolność urządzeń analogowych do tłumienia sygnałów o wysokiej częstotliwości.Jeżeli w obwodzie analogowym nie zostanie zastosowany kondensator obejściowy, w ścieżce sygnału mogą pojawić się zakłócenia, a w poważniejszych przypadkach nawet wibracje.

W analogowych i cyfrowych konstrukcjach PCB kondensatory obejściowe lub odsprzęgające (0,1 uF) powinny być umieszczone jak najbliżej urządzenia.Kondensator odsprzęgający zasilanie (10uF) należy umieścić na wejściu linii zasilającej płytki drukowanej.We wszystkich przypadkach piny tych kondensatorów powinny być krótkie.

Na płytce drukowanej na rysunku 2 zastosowano różne trasy do poprowadzenia przewodów zasilających i uziemiających.Z powodu tej niewłaściwej współpracy elementy elektroniczne i obwody na płytce drukowanej są bardziej narażone na zakłócenia elektromagnetyczne.

Na pojedynczym panelu przedstawionym na rysunku 3 przewody zasilania i uziemienia elementów płytki drukowanej znajdują się blisko siebie.Stosunek dopasowania linii zasilającej i uziemienia na tej płytce drukowanej jest odpowiedni, jak pokazano na rysunku 2. Prawdopodobieństwo, że elementy elektroniczne i obwody na płytce drukowanej zostaną poddane zakłóceniom elektromagnetycznym (EMI) zmniejsza się 679/12,8 razy lub około 54 razy.
　　
W przypadku urządzeń cyfrowych, takich jak kontrolery i procesory, wymagane są również kondensatory odsprzęgające, ale z innych powodów.Jedną z funkcji tych kondensatorów jest działanie jako „miniaturowy” bank ładowania.

W obwodach cyfrowych do przełączania stanu bramki zwykle wymagana jest duża ilość prądu.Ponieważ przełączające prądy przejściowe powstają na chipie podczas przełączania i przepływają przez płytkę drukowaną, korzystne jest posiadanie dodatkowych „zapasowych” ładunków.Jeśli podczas przełączania nie będzie wystarczającego naładowania, napięcie zasilania znacznie się zmieni.Zbyt duża zmiana napięcia spowoduje, że poziom sygnału cyfrowego wejdzie w niepewny stan i może spowodować nieprawidłowe działanie maszyny stanu w urządzeniu cyfrowym.

Prąd przełączający przepływający przez ścieżkę płytki drukowanej spowoduje zmianę napięcia, a ścieżka płytki drukowanej ma indukcyjność pasożytniczą.Do obliczenia zmiany napięcia można zastosować następujący wzór: V = LdI/dt.Wśród nich: V = zmiana napięcia, L = indukcyjność ścieżki płytki drukowanej, dI = zmiana prądu w ścieżce, dt = czas zmiany prądu.
　　
Dlatego z wielu powodów lepiej jest zastosować kondensatory obejściowe (lub odsprzęgające) przy zasilaczu lub na pinach zasilających urządzenia aktywne.

Przewód zasilający i przewód uziemiający należy poprowadzić razem

Położenie przewodu zasilającego i przewodu uziemiającego jest dobrze dopasowane, aby zmniejszyć możliwość wystąpienia zakłóceń elektromagnetycznych.Jeśli linia zasilania i linia uziemienia nie zostaną odpowiednio dopasowane, zostanie zaprojektowana pętla systemowa i prawdopodobnie będzie generowany szum.

Przykład projektu PCB, w którym linia zasilania i linia uziemienia nie są odpowiednio dopasowane, pokazano na rysunku 2. Na tej płytce drukowanej powierzchnia zaprojektowanej pętli wynosi 697 cm².Stosując metodę pokazaną na rysunku 3, można znacznie zmniejszyć ryzyko emitowania szumu na płytce drukowanej lub poza nią, wywołującego napięcie w pętli.

Różnica między strategiami okablowania analogowego i cyfrowego

▍Płaszczyzna uziemienia stanowi problem

Podstawowa wiedza na temat okablowania płytek drukowanych ma zastosowanie zarówno do obwodów analogowych, jak i cyfrowych.Podstawową zasadą jest używanie nieprzerwanej płaszczyzny uziemienia.Zdrowy rozsądek zmniejsza efekt dI/dt (zmiana prądu w czasie) w obwodach cyfrowych, który zmienia potencjał masy i powoduje przedostawanie się szumu do obwodów analogowych.

Techniki okablowania obwodów cyfrowych i analogowych są w zasadzie takie same, z jednym wyjątkiem.W przypadku obwodów analogowych należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną kwestię, a mianowicie utrzymywać cyfrowe linie i pętle sygnałowe w płaszczyźnie masy jak najdalej od obwodów analogowych.Można to osiągnąć poprzez oddzielne podłączenie analogowej płaszczyzny uziemienia do złącza uziemienia systemu lub umieszczenie obwodu analogowego na drugim końcu płytki drukowanej, czyli na końcu linii.Ma to na celu ograniczenie do minimum zewnętrznych zakłóceń na ścieżce sygnału.

Nie ma potrzeby tego robić w przypadku obwodów cyfrowych, które bez problemu tolerują dużo szumu w płaszczyźnie masy.

Rysunek 4 (po lewej) izoluje cyfrowe działanie przełączające od obwodu analogowego i oddziela cyfrową i analogową część obwodu.(Po prawej) Wysoka częstotliwość i niska częstotliwość powinny być jak najbardziej oddzielone od siebie, a komponenty wysokiej częstotliwości powinny znajdować się blisko złączy płytki drukowanej.

Rysunek 5. Ułóż dwie bliskie ścieżki na płytce PCB, łatwo jest utworzyć pojemność pasożytniczą.Ze względu na istnienie tego rodzaju pojemności, szybka zmiana napięcia na jednej ścieżce może wygenerować sygnał prądowy na drugiej ścieżce.

Rysunek 6 Jeśli nie zwrócisz uwagi na rozmieszczenie ścieżek, ścieżki na płytce PCB mogą wytworzyć indukcyjność liniową i indukcyjność wzajemną.Ta pasożytnicza indukcyjność jest bardzo szkodliwa dla działania obwodów, w tym cyfrowych obwodów przełączających.

▍Lokalizacja komponentu

Jak wspomniano powyżej, w każdym projekcie PCB należy oddzielić część szumową obwodu od części „cichej” (część pozbawiona szumów).Ogólnie rzecz biorąc, obwody cyfrowe są „bogate” w szum i są na nie niewrażliwe (ponieważ obwody cyfrowe mają większą tolerancję na szum napięciowy);wręcz przeciwnie, tolerancja szumów napięciowych obwodów analogowych jest znacznie mniejsza.

Z tych dwóch obwody analogowe są najbardziej wrażliwe na szumy przełączania.W okablowaniu systemu z sygnałem mieszanym te dwa obwody powinny być oddzielone, jak pokazano na rysunku 4.
　　
▍ Komponenty pasożytnicze generowane podczas projektowania PCB

W projektowaniu PCB łatwo powstają dwa podstawowe elementy pasożytnicze, które mogą powodować problemy: pojemność pasożytnicza i indukcyjność pasożytnicza.

Podczas projektowania płytki drukowanej umieszczenie dwóch ścieżek blisko siebie spowoduje wygenerowanie pojemności pasożytniczej.Możesz to zrobić: Na dwóch różnych warstwach umieść jeden ślad na drugim;lub na tej samej warstwie, umieść jeden ślad obok drugiego, jak pokazano na rysunku 5.
　　
W tych dwóch konfiguracjach ścieżek zmiany napięcia w czasie (dV/dt) na jednej ścieżce mogą powodować przepływ prądu na drugiej ścieżce.Jeżeli drugi ślad ma wysoką impedancję, prąd generowany przez pole elektryczne zostanie zamieniony na napięcie.
　　
Szybkie stany nieustalone napięcia najczęściej występują po cyfrowej stronie sygnału analogowego.Jeśli ścieżki z szybkimi stanami przejściowymi napięcia znajdują się blisko ścieżek analogowych o wysokiej impedancji, błąd ten poważnie wpłynie na dokładność obwodu analogowego.W tym środowisku obwody analogowe mają dwie wady: ich tolerancja na szum jest znacznie niższa niż w przypadku obwodów cyfrowych;i ślady o wysokiej impedancji są bardziej powszechne.
　　
Zastosowanie jednej z dwóch poniższych technik może zmniejszyć to zjawisko.Najczęściej stosowaną techniką jest zmiana rozmiaru pomiędzy ścieżkami zgodnie z równaniem pojemności.Najbardziej efektywnym rozmiarem do zmiany jest odległość między dwoma śladami.Należy zauważyć, że zmienna d znajduje się w mianowniku równania pojemności.Wraz ze wzrostem d reaktancja pojemnościowa będzie się zmniejszać.Kolejną zmienną, którą można zmienić, jest długość dwóch śladów.W tym przypadku długość L maleje, a reaktancja pojemnościowa między dwoma ścieżkami również się zmniejsza.
　　
Inną techniką jest ułożenie przewodu uziemiającego pomiędzy tymi dwoma ścieżkami.Przewód uziemiający ma niską impedancję i dodanie kolejnej takiej ścieżki osłabi zakłócające pole elektryczne, jak pokazano na rysunku 5.
　　
Zasada indukcyjności pasożytniczej na płytce drukowanej jest podobna do zasady działania pojemności pasożytniczej.Należy także wytyczyć dwa ślady.Na dwóch różnych warstwach umieść jeden ślad na drugim;lub na tej samej warstwie, umieść jeden ślad obok drugiego, jak pokazano na rysunku 6.

W tych dwóch konfiguracjach okablowania zmiana prądu (dI/dt) ścieżki w czasie, spowodowana indukcyjnością tej ścieżki, spowoduje wygenerowanie napięcia na tej ścieżce;a ze względu na istnienie wzajemnej indukcyjności, na drugiej ścieżce będzie generowany prąd proporcjonalny.Jeżeli zmiana napięcia na pierwszym śladzie jest wystarczająco duża, zakłócenia mogą zmniejszyć tolerancję napięcia obwodu cyfrowego i spowodować błędy.Zjawisko to występuje nie tylko w obwodach cyfrowych, ale zjawisko to jest bardziej powszechne w obwodach cyfrowych ze względu na duże chwilowe prądy przełączające w obwodach cyfrowych.
　　
Aby wyeliminować potencjalny szum ze źródeł zakłóceń elektromagnetycznych, najlepiej oddzielić „ciche” linie analogowe od hałaśliwych portów we/wy.Aby uzyskać sieć zasilającą i uziemiającą o niskiej impedancji, należy zminimalizować indukcyjność przewodów obwodu cyfrowego i zminimalizować sprzężenie pojemnościowe obwodów analogowych.
　　
03

Wniosek

Po określeniu zakresów cyfrowych i analogowych, staranne poprowadzenie obwodu jest niezbędne dla pomyślnego wykonania PCB.Strategia okablowania jest zwykle przedstawiana każdemu jako praktyczna zasada, ponieważ trudno jest przetestować ostateczny sukces produktu w środowisku laboratoryjnym.Dlatego pomimo podobieństw w strategiach okablowania obwodów cyfrowych i analogowych należy rozpoznać i poważnie potraktować różnice w strategiach okablowania.