Numărul de proiectanți digitali și experți în proiectarea circuitului digital în domeniul ingineriei este în continuă creștere, ceea ce reflectă tendința de dezvoltare a industriei. Deși accentul pe designul digital a adus evoluții majore în produsele electronice, acesta există în continuare și vor exista întotdeauna unele proiecte de circuit care interfață cu medii analogice sau reale. Strategiile de cablare în câmpurile analogice și digitale au unele asemănări, dar atunci când doriți să obțineți rezultate mai bune, din cauza strategiilor lor de cablare diferite, proiectarea simplă a cablajului circuitului nu mai este soluția optimă.

Acest articol discută asemănările și diferențele de bază dintre cablarea analogică și digitală în ceea ce privește condensatoarele de bypass, sursele de alimentare, proiectarea solului, erorile de tensiune și interferența electromagnetică (EMI) cauzate de cablarea PCB.

Numărul de proiectanți digitali și experți în proiectarea circuitului digital în domeniul ingineriei este în continuă creștere, ceea ce reflectă tendința de dezvoltare a industriei. Deși accentul pe designul digital a adus evoluții majore în produsele electronice, acesta există în continuare și vor exista întotdeauna unele proiecte de circuit care interfață cu medii analogice sau reale. Strategiile de cablare în câmpurile analogice și digitale au unele asemănări, dar atunci când doriți să obțineți rezultate mai bune, din cauza strategiilor lor de cablare diferite, proiectarea simplă a cablajului circuitului nu mai este soluția optimă.

Acest articol discută asemănările și diferențele de bază dintre cablarea analogică și digitală în ceea ce privește condensatoarele de bypass, sursele de alimentare, proiectarea solului, erorile de tensiune și interferența electromagnetică (EMI) cauzate de cablarea PCB.

Adăugarea condensatoarelor de bypass sau decuplarea pe placa de circuit și locația acestor condensatoare pe tablă sunt de bun simț pentru proiectele digitale și analogice. Dar interesant, motivele sunt diferite.

În proiectarea cablurilor analogice, condensatoarele de bypass sunt de obicei folosite pentru a ocoli semnale de înaltă frecvență pe sursa de alimentare. Dacă nu se adaugă condensatoare de bypass, aceste semnale de înaltă frecvență pot intra în cipuri analogice sensibile prin intermediul acelor de alimentare. În general, frecvența acestor semnale de înaltă frecvență depășește capacitatea dispozitivelor analogice de a suprima semnalele de înaltă frecvență. Dacă condensatorul de bypass nu este utilizat în circuitul analogic, poate fi introdus zgomotul pe calea semnalului și în cazuri mai grave, poate provoca chiar vibrații.

În proiectarea PCB analogică și digitală, condensatoarele de bypass sau de decuplare (0.1uf) ar trebui să fie plasate cât mai aproape de dispozitiv. Condensatorul de decuplare a sursei de alimentare (10UF) ar trebui să fie plasat la intrarea liniei electrice a plăcii de circuit. În toate cazurile, pinii acestor condensatoare ar trebui să fie scurte.

Pe placa de circuit din figura 2, sunt utilizate diferite rute pentru a direcționa firele de alimentare și la sol. Datorită acestei cooperări necorespunzătoare, componentele și circuitele electronice de pe placa de circuit sunt mai susceptibile să fie supuse unor interferențe electromagnetice.

În panoul unic din figura 3, firele de alimentare și sol la componentele de pe placa de circuit sunt apropiate unele de altele. Raportul de potrivire a liniei de putere și a liniei de sol din această placă de circuit este adecvată, așa cum se arată în figura 2. Probabilitatea ca componentele și circuitele electronice din placa de circuit să fie supuse interferenței electromagnetice (EMI) este redusă de 679/12,8 ori sau de aproximativ 54 de ori.
　　
Pentru dispozitive digitale, cum ar fi controlere și procesoare, sunt necesare și condensatoare de decuplare, dar din diferite motive. O funcție a acestor condensatori este de a acționa ca o bancă de taxare „în miniatură”.

În circuitele digitale, de obicei, este necesară o cantitate mare de curent pentru a efectua comutarea stării de poartă. Deoarece comutarea curenților tranzitori sunt generați pe cip în timpul comutării și curgerii prin placa de circuit, este avantajos să aveți sarcini suplimentare de „rezervă”. Dacă nu există suficientă încărcare atunci când efectuați acțiunea de comutare, tensiunea de alimentare se va schimba foarte mult. Prea multă schimbare de tensiune va determina ca nivelul semnalului digital să intre într -o stare incertă și poate determina ca mașina de stat să funcționeze incorect.

Curentul de comutare care curge prin urmele plăcii de circuit va determina schimbarea tensiunii, iar urmele plăcii de circuit are inductanță parazită. Următoarea formulă poate fi utilizată pentru a calcula modificarea tensiunii: v = ldi/dt. Printre ele: V = schimbarea tensiunii, l = Inductanța de urmărire a plăcii de circuit, DI = modificarea curentului prin urmă, dt = timpul de modificare curent.
　　
Prin urmare, din mai multe motive, este mai bine să aplicați condensatoare de bypass (sau decuplarea) la sursa de alimentare sau la pinii de alimentare a dispozitivelor active.

Cablul de alimentare și firul de masă trebuie să fie dirijate împreună

Poziția cablului de alimentare și a firului de masă sunt bine potrivite pentru a reduce posibilitatea interferenței electromagnetice. Dacă linia electrică și linia de la sol nu sunt potrivite corespunzător, probabil că va fi proiectat o buclă de sistem și va fi generat zgomot.

Un exemplu de design PCB în care linia de alimentare și linia de sol nu sunt potrivite în mod corespunzător este prezentat în figura 2. Pe această placă de circuit, zona buclă proiectată este de 697cm². Folosind metoda prezentată în figura 3, posibilitatea zgomotului radiat pe sau în afara plăcii de circuit care induce tensiune în buclă poate fi redusă foarte mult.

Diferența dintre strategiile de cablare analogice și digitale

▍ Avionul la sol este o problemă

Cunoașterea de bază a cablului plăcii de circuit se aplică atât circuitelor analogice, cât și digitale. O regulă de bază este de a utiliza un plan de sol neîntrerupt. Acest bun simț reduce efectul DI/DT (modificarea curentului cu timpul) în circuitele digitale, ceea ce schimbă potențialul de la sol și determină intrarea zgomotului în circuite analogice.

Tehnicile de cablare pentru circuitele digitale și analogice sunt practic aceleași, cu o singură excepție. Pentru circuitele analogice, există un alt punct de remarcat, adică mențineți liniile de semnal digitale și buclele în planul solului cât mai departe de circuitele analogice. Acest lucru poate fi obținut prin conectarea planului de sol analogic la conexiunea la solul sistemului sau plasarea circuitului analogic la capătul îndepărtat al plăcii de circuit, care este capătul liniei. Acest lucru se face pentru a menține interferența externă pe calea semnalului la minimum.

Nu este nevoie să faceți acest lucru pentru circuitele digitale, ceea ce poate tolera mult zgomot pe planul solului fără probleme.

Figura 4 (stânga) izolează acțiunea de comutare digitală de circuitul analogic și separă părțile digitale și analogice ale circuitului. (Dreapta) Frecvența înaltă și frecvența joasă ar trebui separate cât mai mult posibil, iar componentele de înaltă frecvență ar trebui să fie aproape de conectorii plăcii de circuit.

Figura 5 Layout Două urme apropiate pe PCB, este ușor să formați capacitate parazitară. Datorită existenței acestui tip de capacitate, o schimbare rapidă a tensiunii pe o urmă poate genera un semnal curent pe cealaltă urmă.

Figura 6 Dacă nu acordați atenție plasării urmelor, urmele din PCB pot produce inductanță de linie și inductanță reciprocă. Această inductanță parazitară este foarte dăunătoare pentru funcționarea circuitelor, inclusiv circuitele de comutare digitală.

▍ Locația componentelor

Așa cum am menționat mai sus, în fiecare design PCB, ar trebui separate partea de zgomot a circuitului și partea „liniștită” (partea non-zgomot). În general, circuitele digitale sunt „bogate” în zgomot și sunt insensibile la zgomot (deoarece circuitele digitale au o toleranță de zgomot de tensiune mai mare); Dimpotrivă, toleranța la zgomot de tensiune a circuitelor analogice este mult mai mică.

Dintre cele două, circuitele analogice sunt cele mai sensibile la zgomotul de comutare. În cablarea unui sistem cu semnal mixt, aceste două circuite trebuie separate, așa cum se arată în figura 4.
　　
Componente Parazitare generate de PCB Design

Două elemente parazite de bază care pot cauza probleme se formează cu ușurință în proiectarea PCB: capacitanță parazită și inductanță parazită.

Atunci când proiectați o placă de circuit, plasarea a două urme unul lângă celălalt va genera o capacitate parazită. Puteți face acest lucru: pe două straturi diferite, așezați o urmă deasupra celeilalte urme; sau pe același strat, așezați o urmă lângă cealaltă urmă, așa cum se arată în figura 5.
　　
În aceste două configurații de urmărire, modificările tensiunii în timp (DV/DT) pe o urmă pot provoca curent pe cealaltă urmă. Dacă cealaltă urmă este o impedanță ridicată, curentul generat de câmpul electric va fi transformat în tensiune.
　　
Tranzitorii de tensiune rapidă apar cel mai adesea pe partea digitală a proiectării semnalului analogic. Dacă urmele cu tranzitori de tensiune rapidă sunt apropiate de urme analogice cu impedanță ridicată, această eroare va afecta serios precizia circuitului analogic. În acest mediu, circuitele analogice au două dezavantaje: toleranța lor la zgomot este mult mai mică decât cea a circuitelor digitale; iar urmele cu impedanță ridicată sunt mai frecvente.
　　
Utilizarea uneia dintre următoarele două tehnici poate reduce acest fenomen. Tehnica cea mai frecvent utilizată este schimbarea dimensiunii dintre urme în funcție de ecuația de capacitate. Cea mai eficientă dimensiune de schimbare este distanța dintre cele două urme. Trebuie menționat că variabila D este în numitorul ecuației de capacitate. Pe măsură ce D crește, reactanța capacitivă va scădea. O altă variabilă care poate fi modificată este lungimea celor două urme. În acest caz, lungimea L scade, iar reactanța capacitivă dintre cele două urme va scădea, de asemenea,.
　　
O altă tehnică este să așezați un fir de masă între aceste două urme. Firul de masă este o impedanță scăzută, iar adăugarea unei alte urme ca aceasta va slăbi câmpul electric de interferență, așa cum se arată în figura 5.
　　
Principiul inductanței parazite în placa de circuit este similară cu cea a capacității parazite. De asemenea, este de a stabili două urme. Pe două straturi diferite, așezați o urmă deasupra celeilalte urme; sau pe același strat, așezați o urmă lângă cealaltă, așa cum se arată în figura 6.

În aceste două configurații de cablare, modificarea curentă (DI/DT) a unei urme cu timp, datorită inductanței acestei urme, va genera tensiune pe aceeași urmă; Și datorită existenței inductanței reciproce, va fi generat un curent proporțional pe cealaltă urmă. Dacă schimbarea tensiunii pe prima urmă este suficient de mare, interferența poate reduce toleranța la tensiune a circuitului digital și poate provoca erori. Acest fenomen nu apare numai în circuitele digitale, dar acest fenomen este mai frecvent în circuitele digitale din cauza curenților mari de comutare instantanee în circuitele digitale.
　　
Pentru a elimina zgomotul potențial din sursele de interferență electromagnetică, cel mai bine este să separați liniile analogice „liniștite” de porturile I/O zgomotoase. Pentru a încerca să obțină o rețea de putere și la sol cu ​​impedanță scăzută, inductanța firelor de circuit digital ar trebui să fie redusă la minimum, iar cuplarea capacitivă a circuitelor analogice ar trebui să fie redusă la minimum.
　　
03

Concluzie

După ce intervalele digitale și analogice sunt determinate, rutarea atentă este esențială pentru un PCB de succes. Strategia de cablare este de obicei introdusă tuturor, de regulă, deoarece este dificil să testați succesul final al produsului într -un mediu de laborator. Prin urmare, în ciuda asemănărilor în strategiile de cablare ale circuitelor digitale și analogice, diferențele în strategiile de cablare trebuie să fie recunoscute și luate în serios.