Numărul de designeri digitali și experți în proiectarea plăcilor de circuite digitale din domeniul ingineriei este în continuă creștere, ceea ce reflectă tendința de dezvoltare a industriei. Deși accentul pus pe designul digital a adus dezvoltări majore în produsele electronice, el încă există și vor exista întotdeauna unele modele de circuite care interfață cu medii analogice sau reale. Strategiile de cablare în domeniul analogic și digital au unele asemănări, dar atunci când doriți să obțineți rezultate mai bune, datorită strategiilor lor diferite de cablare, 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 condensatorii de bypass, sursele de alimentare, proiectarea la sol, erorile de tensiune și interferența electromagnetică (EMI) cauzată de cablajul PCB.

Numărul de designeri digitali și experți în proiectarea plăcilor de circuite digitale din domeniul ingineriei este în continuă creștere, ceea ce reflectă tendința de dezvoltare a industriei. Deși accentul pus pe designul digital a adus dezvoltări majore în produsele electronice, el încă există și vor exista întotdeauna unele modele de circuite care interfață cu medii analogice sau reale. Strategiile de cablare în domeniul analogic și digital au unele asemănări, dar atunci când doriți să obțineți rezultate mai bune, datorită strategiilor lor diferite de cablare, 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 condensatorii de bypass, sursele de alimentare, proiectarea la sol, erorile de tensiune și interferența electromagnetică (EMI) cauzată de cablajul PCB.

Adăugarea de condensatoare de ocolire sau decuplare pe placa de circuite și locația acestor condensatoare pe placă sunt de bun simț pentru modelele digitale și analogice. Dar, interesant, motivele sunt diferite.

În proiectarea cablajului analogic, condensatorii de bypass sunt de obicei utilizați pentru a ocoli semnalele de înaltă frecvență de pe sursa de alimentare. Dacă nu sunt adăugați condensatori de bypass, aceste semnale de înaltă frecvență pot pătrunde în cipurile analogice sensibile prin pinii 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, zgomotul poate fi introdus în calea semnalului și, în cazuri mai grave, poate provoca chiar vibrații.

În designul PCB analog și digital, condensatorii de bypass sau decuplare (0,1uF) trebuie plasați cât mai aproape de dispozitiv. Condensatorul de decuplare a sursei de alimentare (10uF) trebuie plasat la intrarea în linia de alimentare a plăcii de circuite. În toate cazurile, pinii acestor condensatori ar trebui să fie scurti.

Pe placa de circuite din Figura 2, sunt folosite diferite rute pentru a direcționa firele de alimentare și de împământare. Datorită acestei cooperări necorespunzătoare, componentele electronice și circuitele de pe placa de circuite sunt mai susceptibile de a fi supuse interferențelor electromagnetice.

În panoul unic din figura 3, firele de alimentare și de împământare către componentele de pe placa de circuite sunt aproape unele de altele. Raportul de potrivire dintre linia de alimentare și linia de masă din această placă de circuit este adecvat, așa cum se arată în Figura 2. Probabilitatea ca componentele electronice și circuitele din placa de circuite să fie supuse la interferențe electromagnetice (EMI) este redusă de 679/12,8 ori sau de aproximativ 54 de ori.
　　
Pentru dispozitivele digitale, cum ar fi controlere și procesoare, sunt necesari și condensatori de decuplare, dar din diferite motive. O funcție a acestor condensatoare este aceea de a acționa ca o bancă de încărcare „miniaturală”.

În circuitele digitale, este de obicei necesară o cantitate mare de curent pentru a efectua comutarea stării porții. Deoarece curenții tranzitori de comutare sunt generați pe cip în timpul comutării și curg prin placa de circuit, este avantajos să aveți încărcături „de rezervă” suplimentare. Dacă nu există suficientă încărcare la efectuarea acțiunii de comutare, tensiunea de alimentare se va schimba foarte mult. Prea multă modificare a tensiunii va face ca nivelul semnalului digital să intre într-o stare incertă și poate cauza funcționarea incorectă a mașinii de stări din dispozitivul digital.

Curentul de comutare care curge prin traseul plăcii de circuit va determina schimbarea tensiunii, iar urma plăcii de circuit are inductanță parazită. Următoarea formulă poate fi utilizată pentru a calcula modificarea tensiunii: V = LdI/dt. Printre acestea: V = modificarea tensiunii, L = inductanța de urmărire a plăcii de circuit, dI = modificarea curentului prin urmă, dt = timpul de schimbare a curentului.
　　
Prin urmare, din multe motive, este mai bine să aplicați condensatori de bypass (sau decuplare) la sursa de alimentare sau la pinii de alimentare a dispozitivelor active.

Cablul de alimentare și firul de împământare trebuie direcționate împreună

Poziția cablului de alimentare și a firului de împământare sunt bine adaptate pentru a reduce posibilitatea interferențelor electromagnetice. Dacă linia de alimentare și linia de masă nu sunt corespunzatoare, va fi proiectată o buclă de sistem și va fi probabil generat zgomot.

Un exemplu de design PCB în care linia de alimentare și linia de masă nu sunt corespunzatoare este prezentat în Figura 2. Pe această placă de circuit, aria buclei proiectată este de 697 cm². Folosind metoda prezentată în Figura 3, posibilitatea ca zgomotul radiat pe sau în afara plăcii de circuit să inducă tensiune în buclă poate fi mult redusă.

Diferența dintre strategiile de cablare analogică și digitală

▍Planul de sol este o problemă

Cunoștințele de bază despre cablarea plăcilor de circuite sunt aplicabile atât pentru circuitele analogice, cât și pentru cele digitale. O regulă de bază este să folosiți un plan de sol neîntrerupt. Acest bun simț reduce efectul dI/dt (modificarea curentului în timp) în circuitele digitale, care modifică potențialul de masă și provoacă pătrunderea zgomotului în circuitele 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 și buclele de semnal digital în planul de masă cât mai departe de circuitele analogice. Acest lucru poate fi realizat prin conectarea separată a planului de masă analogic la conexiunea de masă a sistemului sau plasând circuitul analogic la capătul îndepărtat al plăcii de circuite, 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, care pot tolera fără probleme mult zgomot pe planul de masă.

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

Figura 5 Așezați două urme apropiate pe PCB, este ușor să formați capacități parazitare. Datorită existenței acestui tip de capacitate, o schimbare rapidă a tensiunii pe o urmă poate genera un semnal de 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 parazită este foarte dăunătoare pentru funcționarea circuitelor, inclusiv a circuitelor de comutare digitale.

▍Locația componentelor

După cum sa menționat mai sus, în fiecare proiect de PCB, partea de zgomot a circuitului și partea „liniștită” (partea fără zgomot) ar trebui să fie separate. În general, circuitele digitale sunt „bogate” în zgomot și sunt insensibile la zgomot (deoarece circuitele digitale au o toleranță mai mare la zgomot de tensiune); 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 proiectarea PCB

Două elemente parazitare de bază care pot cauza probleme se formează cu ușurință în proiectarea PCB: capacitatea parazită și inductanța parazită.

Când proiectați o placă de circuit, plasarea a două urme una lângă alta va genera o capacitate parazită. Puteți face acest lucru: Pe două straturi diferite, plasați o urmă deasupra celeilalte urme; sau pe același strat, plasați o urmă lângă cealaltă urmă, așa cum se arată în Figura 5.
　　
În aceste două configurații de urme, modificările tensiunii în timp (dV/dt) pe o urmă pot provoca curent pe cealaltă urmă. Dacă cealaltă urmă este de impedanță mare, curentul generat de câmpul electric va fi convertit în tensiune.
　　
Tranzitorii rapidi de tensiune apar cel mai adesea pe partea digitală a designului semnalului analogic. Dacă urmele cu tranzitorii rapide de tensiune sunt apropiate de urmele analogice de înaltă impedanță, această eroare va afecta serios acuratețea 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 de impedanță mare sunt mai frecvente.
　　
Utilizarea uneia dintre următoarele două tehnici poate reduce acest fenomen. Cea mai des folosită tehnică este schimbarea dimensiunii dintre urme în funcție de ecuația capacității. Cea mai eficientă dimensiune de schimbat este distanța dintre cele două urme. Trebuie remarcat faptul că variabila d se află la numitorul ecuației capacității. 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 și ea.
　　
O altă tehnică este așezarea unui fir de împământare între aceste două urme. Firul de împământare are impedanță scăzută, iar adăugarea unei alte urme ca aceasta va slăbi câmpul electric de interferență, așa cum se arată în Figura 5.
　　
Principiul inductanței parazitare în placa de circuit este similar cu cel al capacității parazitare. Este, de asemenea, să așterne două urme. Pe două straturi diferite, așezați o urmă deasupra celeilalte urme; sau pe același strat, plasați o urmă lângă alta, așa cum se arată în Figura 6.

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

Concluzie

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