Liczba projektantów cyfrowych i ekspertów ds. Projektowania obwodów cyfrowych w dziedzinie inżynierii stale rośnie, co odzwierciedla trend rozwojowy branży. Chociaż nacisk na design cyfrowy przyniósł znaczne osiągnięcia produktów elektronicznych, nadal istnieje i zawsze będą dostępne projekty obwodów, które łączą się ze środowiskami analogowymi lub prawdziwymi. Strategie okablowania w polach analogowych i cyfrowych mają pewne podobieństwa, ale kiedy chcesz uzyskać lepsze wyniki, ze względu na ich różne strategie okablowania, prosta konstrukcja okablowania nie jest już optymalnym rozwiązaniem.

W tym artykule omówiono podstawowe podobieństwa i różnice między okablowaniem analogowym i cyfrowym pod względem kondensatorów obejściowych, zasilaczy, projektowania naziemnego, błędów napięcia i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) spowodowanych okablowaniem PCB.

Liczba projektantów cyfrowych i ekspertów ds. Projektowania obwodów cyfrowych w dziedzinie inżynierii stale rośnie, co odzwierciedla trend rozwojowy branży. Chociaż nacisk na design cyfrowy przyniósł znaczne osiągnięcia produktów elektronicznych, nadal istnieje i zawsze będą dostępne projekty obwodów, które łączą się ze środowiskami analogowymi lub prawdziwymi. Strategie okablowania w polach analogowych i cyfrowych mają pewne podobieństwa, ale kiedy chcesz uzyskać lepsze wyniki, ze względu na ich różne strategie okablowania, prosta konstrukcja okablowania nie jest już optymalnym rozwiązaniem.

W tym artykule omówiono podstawowe podobieństwa i różnice między okablowaniem analogowym i cyfrowym pod względem kondensatorów obejściowych, zasilaczy, projektowania naziemnego, błędów napięcia i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) spowodowanych okablowaniem PCB.

Dodanie kondensatorów obwodniczych lub oddzielenia na płycie drukowanej i lokalizacji tych kondensatorów na płycie są zdrowy rozsądek dla projektów cyfrowych i analogowych. Ale co ciekawe, przyczyny są różne.

W analogowym konstrukcji okablowania kondensatory obejściowe są zwykle używane do ominięcia sygnałów o wysokiej częstotliwości na zasilaczu. Jeśli kondensatory obejściowe nie zostaną dodane, te sygnały o wysokiej częstotliwości mogą wprowadzać wrażliwe układy analogowe przez szpilki zasilające. Ogólnie rzecz biorąc, częstotliwość tych sygnałów o wysokiej częstotliwości przekracza zdolność urządzeń analogowych do tłumienia sygnałów o wysokiej częstotliwości. Jeśli kondensator obejściowy nie jest używany w obwodzie analogowym, szum może zostać wprowadzony na ścieżkę sygnału, aw poważniejszych przypadkach może nawet powodować wibracje.

W konstrukcji analogowej i cyfrowej PCB, kondensatory obejścia lub oddzielenia (0,1UF) powinny być umieszczone jak najbliżej urządzenia. Kondensator oddzielenia zasilania (10UF) należy umieścić przy wejściu do linii zasilającej płyty drukowanej. We wszystkich przypadkach szpilki tych kondensatorów powinny być krótkie.

Na płycie drukowanej na rysunku 2 różne trasy służą do kierowania przewodów zasilania i uziemionych. Z powodu tej niewłaściwej współpracy elementy elektroniczne i obwody na płytce drukowanej częściej podlegają zakłóceniu elektromagnetycznym.

W pojedynczym panelu na rysunku 3 przewody zasilania i uziemiające komponentów na płytce drukowanej są blisko siebie. Dopasowany współczynnik linii zasilania i linii uziemienia na tej płytce obwodu jest odpowiedni, jak pokazano na rycinie 2. Prawdopodobieństwo elektronicznych komponentów i obwodów na płytce obwodów poddawanych interferencji elektromagnetycznej (EMI) jest zmniejszone o 679/12,8 razy lub około 54 razy.
　　
W przypadku urządzeń cyfrowych, takich jak kontrolery i procesory, wymagane są również oddzielenie kondensatorów, ale z różnych powodów. Jedną z funkcji tych kondensatorów jest działanie jako „miniaturowy” bank opłat.

W obwodach cyfrowych zwykle wymagana jest duża ilość prądu do wykonywania przełączania stanu bramki. Ponieważ przełączanie prądów przejściowych są generowane na układie podczas przełączania i przepływu przez płytkę obwodu, korzystne jest posiadanie dodatkowych „zapasowych” ładunków. Jeśli podczas wykonywania akcji przełączania nie ma wystarczającego ładunku, napięcie zasilania znacznie się zmieni. Zbyt duża zmiana napięcia spowoduje wprowadzenie poziomu sygnału cyfrowego i może spowodować niepoprawne działanie maszyny stanu w urządzeniu cyfrowym.

Prąd przełączający przepływający przez ślad płytki obwodu spowoduje zmianę napięcia, a ślad płytki drukowanej ma pasożytniczą indukcyjność. Do obliczenia zmiany napięcia można zastosować następujący wzór: V = LDI/DT. Wśród nich: v = zmiana napięcia, l = indukcyjność śledzenia płyty drukowanej, di = zmiana prądu przez ślad, dt = czas zmiany prądu.
　　
Dlatego z wielu powodów lepiej jest zastosować kondensatory obejściowe (lub oddzielające) przy zasilaczu lub w szpilkach zasilających aktywnych urządzeń.

Przewód zasilający i drut uziemienia powinny być kierowane razem

Położenie przewodu zasilającego i drutu uziemiającego są dobrze dopasowane, aby zmniejszyć możliwość zakłóceń elektromagnetycznych. Jeśli linia zasilania i linia uziemienia nie zostaną odpowiednio dopasowane, zostanie zaprojektowana pętla systemowa i prawdopodobnie zostanie wygenerowany szum.

Przykład projektu PCB, w którym linia zasilania i linia uziemienia nie są odpowiednio dopasowane, pokazano na rysunku 2. Na tej płytce obwodu zaprojektowany obszar pętli wynosi 697 cm². Za pomocą metody pokazanej na rycinie 3 możliwość promieniowania szumu na lub poza wyłączaniem napięcia indukującego płytkę obwodu w pętli może być znacznie zmniejszona.

Różnica między strategiami okablowania analogowego i cyfrowego

▍ Płaszczyzna uziemienia jest problemem

Podstawowa wiedza na temat okablowania płytki drukowanej ma zastosowanie zarówno do obwodów analogowych, jak i cyfrowych. Podstawową zasadą jest użycie nieprzerwanej płaszczyzny uziemienia. Ten zdrowy rozsądek zmniejsza efekt DI/DT (zmiana prądu z czasem) w obwodach cyfrowych, który zmienia potencjał uziemienia i powoduje hałas wchodzący do obwodów analogowych.

Techniki okablowania obwodów cyfrowych i analogowych są zasadniczo takie same, z jednym wyjątkiem. W przypadku obwodów analogowych należy zauważyć, że należy zauważyć, że cyfrowe linie sygnałowe i pętle w płaszczyźnie uziemienia jak najdalej od obwodów analogowych. Można to osiągnąć, podłączając analogową płaszczyznę uziemienia z połączeniem uziemienia systemu lub umieszczanie obwodu analogowego na drugim końcu płyty drukowanej, która jest końcem linii. Odbywa się to, aby utrzymać zewnętrzną interferencję na ścieżce sygnału do minimum.

Nie trzeba tego robić w przypadku obwodów cyfrowych, które bez problemów tolerują dużo hałasu na płaszczyźnie ziemi.

Rysunek 4 (po lewej) izoluje cyfrowe działanie przełączania od obwodu analogowego i oddziela cyfrowe i analogowe części obwodu. (Po prawej) Wysoka częstotliwość i niska częstotliwość powinny być oddzielone jak najwięcej, a komponenty wysokiej częstotliwości powinny znajdować się blisko złączy płytki drukowanej.

Rysunek 5 Układ Dwa ślady bliskie na płytce drukowanej, łatwo jest utworzyć pasożytniczą pojemność. Ze względu na istnienie tego rodzaju pojemności szybka zmiana napięcia na jednym śladzie może wygenerować sygnał prądowy na drugim śladzie.

Rysunek 6 Jeśli nie zwrócisz uwagi na umieszczenie śladów, ślady w PCB mogą wytwarzać indukcyjność i wzajemną indukcyjność. Ta pasożytnicza indukcyjność jest bardzo szkodliwa dla obsługi obwodów, w tym cyfrowych obwodów przełączających.

▍ Lokalizacja komponentu

Jak wspomniano powyżej, w każdym projekcie PCB część hałasu obwodu i „cicha” części (część nie-szum) powinna być oddzielona. Ogólnie rzecz biorąc, obwody cyfrowe są „bogate” w hałas i są niewrażliwe na hałas (ponieważ obwody cyfrowe mają większą tolerancję na hałas napięcia); Przeciwnie, tolerancja na napięcie szumu obwodów analogowych jest znacznie mniejsza.

Z tych dwóch obwodów analogowych są najbardziej wrażliwe na szum przełączający. W okablowaniu układu mieszanego sygnału te dwa obwody należy oddzielić, jak pokazano na rycinie 4.
　　
▍ Składniki pasożytowe generowane przez projekt PCB

Dwa podstawowe elementy pasożytnicze, które mogą powodować problemy, można łatwo tworzyć w projekcie PCB: pojemność pasożytnicza i indukcyjność pasożytnicza.

Podczas projektowania płytki drukowanej umieszczanie dwóch śladów blisko siebie wygeneruje pasożytniczą pojemność. Możesz to zrobić: na dwóch różnych warstwach umieść jeden ślad na drugim śladzie; lub na tej samej warstwie umieść jeden ślad obok drugiego śladu, jak pokazano na rycinie 5.
　　
W tych dwóch konfiguracjach śladów zmiany napięcia w czasie (DV/DT) na jednym śladzie mogą powodować prąd na drugim śladzie. Jeśli drugi ślad jest wysoka impedancja, prąd wytwarzany przez pole elektryczne zostanie przekształcony w napięcie.
　　
Szybkie przejściowe napięcia najczęściej występują po cyfrowej stronie analogowej konstrukcji sygnału. Jeśli ślady z szybkim przejściami na napięcie są zbliżone do śladów 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 obwodach cyfrowych; a ślady wysokiej impedancji są bardziej powszechne.
　　
Zastosowanie jednej z następujących dwóch technik może zmniejszyć to zjawisko. Najczęściej stosowaną techniką jest zmiana wielkości między śladami 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 spadnie. Kolejną zmienną, którą można zmienić, jest długość dwóch śladów. W tym przypadku długość L zmniejsza się, a reaktancja pojemnościowa między dwoma śladami również spadnie.
　　
Inną techniką jest ułożenie drutu uziemiającego między tymi dwoma śladami. Drut uziemiający jest niską impedancją, a dodanie kolejnego takiego śladu osłabia pole elektryczne interferencji, jak pokazano na rycinie 5.
　　
Zasada pasożytniczej indukcyjności w tablicy obwodów jest podobna do zasady pojemności pasożytniczej. Ma również na celu ustalenie dwóch śladów. Na dwóch różnych warstwach umieść jeden ślad na drugim śladzie; lub na tej samej warstwie umieść jeden ślad obok drugiej, jak pokazano na rycinie 6.

W tych dwóch konfiguracjach okablowania zmiana prądu (DI/DT) śladu z czasem, z powodu indukcyjności tego śladu, wygeneruje napięcie na tym samym śladzie; Ze względu na istnienie wzajemnej indukcyjności będzie on prąd proporcjonalny na drugim śladzie. Jeśli zmiana napięcia na pierwszym śladzie jest wystarczająco duża, zakłócenia może zmniejszyć tolerancję napięcia obwodu cyfrowego i powodować błędy. Zjawisko to występuje nie tylko w obwodach cyfrowych, ale zjawisko to występuje częściej w obwodach cyfrowych ze względu na duże natychmiastowe prądy przełączające w obwodach cyfrowych.
　　
Aby wyeliminować potencjalny hałas z elektromagnetycznych źródeł zakłóceń, najlepiej jest oddzielić „ciche” linie analogowe od hałaśliwych portów we/wy. Aby spróbować osiągnąć zasilanie i sieć naziemną o niskiej impedancji, należy zminimalizować indukcyjność przewodów obwodów cyfrowych, a pojemnościowe połączenie obwodów analogowych należy zminimalizować.
　　
03

Wniosek

Po ustaleniu zakresów cyfrowych i analogowych ostrożne routing jest niezbędne do udanej płytki drukowanej. Strategia okablowania jest zwykle wprowadzana do wszystkich z reguły, ponieważ trudno jest przetestować ostateczny sukces produktu w środowisku laboratoryjnym. Dlatego, pomimo podobieństw w strategiach okablowania obwodów cyfrowych i analogowych, różnice w ich strategiach okablowania muszą być rozpoznawane i traktowane poważnie.