No design da PCB, por que a diferença entre o circuito analógico e o circuito digital é tão grande?

O número de designers digitais e especialistas em design de placas de circuito digital no campo de engenharia está constantemente aumentando, o que reflete a tendência de desenvolvimento da indústria. Embora a ênfase no design digital tenha causado grandes desenvolvimentos em produtos eletrônicos, ele ainda existe, e sempre haverá alguns designs de circuitos que interagem com ambientes analógicos ou reais. As estratégias de fiação nos campos analógicas e digitais têm algumas semelhanças, mas quando você deseja obter melhores resultados, devido às suas diferentes estratégias de fiação, o design simples de fiação de circuito não é mais a solução ideal.

Este artigo discute as semelhanças e diferenças básicas entre a fiação analógica e digital em termos de capacitores de desvio, fontes de alimentação, design do solo, erros de tensão e interferência eletromagnética (EMI) causada pela fiação de PCB.

Adicionar capacitores de desvio ou desacoplamento na placa de circuito e a localização desses capacitores na placa é um senso comum para projetos digitais e analógicos. Mas, curiosamente, as razões são diferentes.

No design da fiação analógica, os capacitores de desvio são geralmente usados para ignorar os sinais de alta frequência na fonte de alimentação. Se os capacitores de desvio não forem adicionados, esses sinais de alta frequência poderão inserir chips analógicos sensíveis através dos pinos da fonte de alimentação. De um modo geral, a frequência desses sinais de alta frequência excede a capacidade dos dispositivos analógicos de suprimir sinais de alta frequência. Se o capacitor de desvio não for usado no circuito analógico, o ruído poderá ser introduzido no caminho do sinal e, em casos mais graves, pode até causar vibração.

No design de PCB analógico e digital, os capacitores de desvio ou desacoplamento (0,1UF) devem ser colocados o mais próximo possível do dispositivo. O capacitor de desacoplamento da fonte de alimentação (10UF) deve ser colocado na entrada da linha de energia da placa de circuito. Em todos os casos, os pinos desses capacitores devem ser curtos.

Na placa de circuito na Figura 2, diferentes rotas são usadas para rotear os fios de energia e aterramento. Devido a essa cooperação imprópria, os componentes eletrônicos e circuitos na placa de circuito têm maior probabilidade de estar sujeita a interferência eletromagnética.

No painel único da Figura 3, os fios de energia e aterramento dos componentes da placa de circuito estão próximos um do outro. A taxa de correspondência da linha de energia e a linha de solo nesta placa de circuito é apropriada, conforme mostrado na Figura 2. A probabilidade de componentes eletrônicos e circuitos na placa de circuito sendo submetida a interferência eletromagnética (EMI) é reduzida em 679/12,8 vezes ou cerca de 54 vezes.
　　
Para dispositivos digitais, como controladores e processadores, também são necessários capacitores de desacoplamento, mas por diferentes motivos. Uma função desses capacitores é atuar como um banco de cobrança de "miniatura".

Nos circuitos digitais, geralmente é necessária uma grande quantidade de corrente para executar a comutação do estado do portão. Como a troca de correntes transitórias é gerada no chip durante a comutação e o fluxo através da placa de circuito, é vantajoso ter cargas adicionais "sobressalentes". Se não houver carga suficiente ao executar a ação de comutação, a tensão da fonte de alimentação mudará bastante. Muita mudança de tensão fará com que o nível de sinal digital insira um estado incerto e possa fazer com que a máquina de estado no dispositivo digital opere incorretamente.

A corrente de comutação que flui através do rastreamento da placa de circuito fará com que a tensão mude, e o rastreamento da placa de circuito tem indutância parasitária. A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a mudança de tensão: v = ldi/dt. Entre eles: v = alteração de tensão, l = indutância de rastreamento da placa de circuito, di = alteração de corrente através do rastreamento, dt = tempo de mudança de corrente.
　　
Portanto, por muitos motivos, é melhor aplicar capacitores de desvio (ou desacoplamento) na fonte de alimentação ou nos pinos da fonte de alimentação dos dispositivos ativos.

O cabo de alimentação e o fio do solo devem ser encaminhados

A posição do cabo de alimentação e do fio terrestre são bem correspondentes para reduzir a possibilidade de interferência eletromagnética. Se a linha de energia e a linha de terra não forem correspondentes adequadamente, um loop do sistema será projetado e o ruído provavelmente será gerado.

Um exemplo de design de PCB, onde a linha de energia e a linha de terra não são correspondentes adequadamente é mostrada na Figura 2. Nesta placa de circuito, a área de loop projetada é de 697cm². Usando o método mostrado na Figura 3, a possibilidade de ruído irradiado dentro ou fora da placa de circuito que induzia a tensão no loop pode ser bastante reduzida.

A diferença entre estratégias de fiação analógica e digital

▍O plano de terra é um problema

O conhecimento básico da fiação da placa de circuito é aplicável aos circuitos analógicos e digitais. Uma regra básica é usar um plano de solo ininterrupto. Esse senso comum reduz o efeito DI/DT (alteração na corrente com o tempo) nos circuitos digitais, o que altera o potencial do solo e faz com que o ruído entre os circuitos analógicos.

As técnicas de fiação para circuitos digitais e analógicos são basicamente os mesmos, com uma exceção. Para os circuitos analógicos, há outro ponto a ser observado, ou seja, mantenha as linhas de sinal digital e os loops no plano do solo o mais longe possível dos circuitos analógicos. Isso pode ser alcançado conectando o plano de aterramento analógico à conexão do solo do sistema separadamente ou colocando o circuito analógico na extremidade mais distante da placa de circuito, que é o final da linha. Isso é feito para manter a interferência externa no caminho do sinal no mínimo.

Não há necessidade de fazer isso para os circuitos digitais, o que pode tolerar muito ruído no plano do solo sem problemas.

A Figura 4 (esquerda) isola a ação de comutação digital do circuito analógico e separa as partes digital e analógico do circuito. (Direita) A alta frequência e baixa frequência devem ser separadas o máximo possível, e os componentes de alta frequência devem estar próximos dos conectores da placa de circuito.

Figura 5 Layout Dois traços próximos no PCB, é fácil formar capacitância parasitária. Devido à existência desse tipo de capacitância, uma rápida mudança de tensão em um rastreamento pode gerar um sinal de corrente no outro rastreamento.

Figura 6 Se você não prestar atenção à colocação dos traços, os traços no PCB podem produzir indutância de linha e indutância mútua. Essa indutância parasitária é muito prejudicial à operação de circuitos, incluindo circuitos de comutação digital.

▍ Localização do componente

Como mencionado acima, em cada design de PCB, a parte do ruído do circuito e a parte "silenciosa" (parte não ruins) devem ser separadas. De um modo geral, os circuitos digitais são "ricos" em ruído e são insensíveis ao ruído (porque os circuitos digitais têm uma tolerância a ruído de tensão maior); Pelo contrário, a tolerância ao ruído de tensão dos circuitos analógicos é muito menor.

Dos dois, os circuitos analógicos são os mais sensíveis ao ruído de comutação. Na fiação de um sistema de sinal misto, esses dois circuitos devem ser separados, como mostrado na Figura 4.
　　
▍ Componentes parasíticos gerados por design de PCB

Dois elementos parasitários básicos que podem causar problemas são facilmente formados no design da PCB: capacitância parasita e indutância parasitária.

Ao projetar uma placa de circuito, colocar dois traços próximos um do outro gerará capacitância parasita. Você pode fazer isso: em duas camadas diferentes, coloque um traço no topo do outro traço; ou na mesma camada, coloque um traço ao lado do outro traço, como mostra a Figura 5.
　　
Nessas duas configurações de rastreamento, as alterações na tensão ao longo do tempo (DV/DT) em um rastreamento podem causar corrente no outro rastreamento. Se o outro traço for alta impedância, a corrente gerada pelo campo elétrico será convertida em tensão.
　　
Transientes rápidos de tensão mais frequentemente ocorrem no lado digital do design do sinal analógico. Se os traços com transientes de tensão rápida estiverem próximos dos traços analógicos de alta impedância, esse erro afetará seriamente a precisão do circuito analógico. Nesse ambiente, os circuitos analógicos têm duas desvantagens: sua tolerância ao ruído é muito menor que a dos circuitos digitais; e traços de alta impedância são mais comuns.
　　
O uso de uma das duas técnicas a seguir pode reduzir esse fenômeno. A técnica mais usada é alterar o tamanho entre traços de acordo com a equação da capacitância. O tamanho mais eficaz para mudar é a distância entre os dois traços. Deve -se notar que a variável d está no denominador da equação da capacitância. À medida que D aumenta, a reatância capacitiva diminuirá. Outra variável que pode ser alterada é o comprimento dos dois traços. Nesse caso, o comprimento L diminui e a reatância capacitiva entre os dois traços também diminuirá.
　　
Outra técnica é colocar um fio de terra entre esses dois traços. O fio do solo é baixa impedância e adicionar outro traço como esse enfraquecerá o campo elétrico de interferência, como mostra a Figura 5.
　　
O princípio da indutância parasita na placa de circuito é semelhante à da capacitância parasitária. É também colocar dois traços. Em duas camadas diferentes, coloque um traço no topo do outro traço; ou na mesma camada, coloque um rastreamento próximo ao outro, como mostra a Figura 6.

Nessas duas configurações de fiação, a mudança atual (DI/dt) de um rastreamento com o tempo, devido à indutância desse rastreamento, gerará tensão no mesmo traço; e devido à existência de indutância mútua, uma corrente proporcional será gerada no outro traço. Se a mudança de tensão no primeiro rastreamento for grande o suficiente, a interferência poderá reduzir a tolerância à tensão do circuito digital e causar erros. Esse fenômeno não ocorre não apenas nos circuitos digitais, mas esse fenômeno é mais comum nos circuitos digitais devido às grandes correntes instantâneas de comutação nos circuitos digitais.
　　
Para eliminar o ruído potencial das fontes de interferência eletromagnética, é melhor separar linhas analógicas "silenciosas" das portas de E/S ruidosas. Para tentar obter uma potência de baixa impedância e rede de terra, a indutância dos fios do circuito digital deve ser minimizada e o acoplamento capacitivo dos circuitos analógicos deve ser minimizado.
　　
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Conclusão

Depois que os intervalos digitais e analógicos são determinados, o roteamento cuidadoso é essencial para uma PCB bem -sucedida. A estratégia de fiação é geralmente introduzida a todos como regra geral, porque é difícil testar o sucesso final do produto em um ambiente de laboratório. Portanto, apesar das semelhanças nas estratégias de fiação dos circuitos digitais e analógicos, as diferenças em suas estratégias de fiação devem ser reconhecidas e levadas a sério.