Число цифровых дизайнеров и экспертов по проектированию цифровых плат в области машиностроения постоянно увеличивается, что отражает тенденцию развития отрасли. Хотя упор на цифровой дизайн привел к крупным разработкам в области электронных продуктов, он все еще существует, и всегда будут некоторые схемотехнические решения, которые взаимодействуют с аналоговыми или реальными средами. Стратегии подключения в аналоговой и цифровой областях имеют некоторое сходство, но если вы хотите получить лучшие результаты, из-за различий в стратегиях подключения простая схема подключения больше не является оптимальным решением.

В этой статье обсуждаются основные сходства и различия между аналоговой и цифровой проводкой с точки зрения развязывающих конденсаторов, источников питания, конструкции заземления, ошибок напряжения и электромагнитных помех (ЭМП), вызванных проводкой печатной платы.

Число цифровых дизайнеров и экспертов по проектированию цифровых плат в области машиностроения постоянно увеличивается, что отражает тенденцию развития отрасли. Хотя упор на цифровой дизайн привел к крупным разработкам в области электронных продуктов, он все еще существует, и всегда будут некоторые схемотехнические решения, которые взаимодействуют с аналоговыми или реальными средами. Стратегии подключения в аналоговой и цифровой областях имеют некоторое сходство, но если вы хотите получить лучшие результаты, из-за различий в стратегиях подключения простая схема подключения больше не является оптимальным решением.

В этой статье обсуждаются основные сходства и различия между аналоговой и цифровой проводкой с точки зрения развязывающих конденсаторов, источников питания, конструкции заземления, ошибок напряжения и электромагнитных помех (ЭМП), вызванных проводкой печатной платы.

Добавление развязывающих или развязывающих конденсаторов на печатной плате и расположение этих конденсаторов на плате являются здравым смыслом для цифровых и аналоговых проектов. Но что интересно, причины разные.

В аналоговых схемах разводящие конденсаторы обычно используются для обхода высокочастотных сигналов источника питания. Если байпасные конденсаторы не добавлены, эти высокочастотные сигналы могут поступать на чувствительные аналоговые микросхемы через контакты источника питания. Вообще говоря, частота этих высокочастотных сигналов превышает способность аналоговых устройств подавлять высокочастотные сигналы. Если в аналоговой схеме не используется развязывающий конденсатор, в тракте сигнала может появиться шум, а в более серьезных случаях он может даже вызвать вибрацию.

В аналоговых и цифровых печатных платах развязывающие или развязывающие конденсаторы (0,1 мкФ) следует размещать как можно ближе к устройству. Развязывающий конденсатор источника питания (10 мкФ) должен быть установлен на входе линии питания на печатной плате. Во всех случаях выводы этих конденсаторов должны быть короткими.

На плате, показанной на рис. 2, для прокладки проводов питания и заземления используются разные маршруты. Из-за такого неправильного взаимодействия электронные компоненты и схемы на плате с большей вероятностью будут подвергаться электромагнитным помехам.

На одной панели на рис. 3 провода питания и заземления компонентов на плате расположены близко друг к другу. Коэффициент согласования линии электропитания и линии заземления на этой плате соответствует рисунку 2. Вероятность того, что электронные компоненты и схемы на плате подвергнутся электромагнитным помехам (ЭМП), снижается в 679/12,8 раза или около 54 раз.
　　
Для цифровых устройств, таких как контроллеры и процессоры, также необходимы развязывающие конденсаторы, но по другим причинам. Одна из функций этих конденсаторов — действовать как «миниатюрный» аккумулятор заряда.

В цифровых схемах для переключения состояний затвора обычно требуется большой ток. Поскольку коммутационные переходные токи генерируются на кристалле во время переключения и протекают через плату, выгодно иметь дополнительные «запасные» заряды. Если при выполнении переключения заряда недостаточно, напряжение источника питания сильно изменится. Слишком большое изменение напряжения приведет к тому, что уровень цифрового сигнала перейдет в неопределенное состояние и может привести к неправильной работе конечного автомата в цифровом устройстве.

Ток переключения, протекающий через дорожку печатной платы, приведет к изменению напряжения, а дорожка печатной платы имеет паразитную индуктивность. Для расчета изменения напряжения можно использовать следующую формулу: V = LdI/dt. Среди них: V = изменение напряжения, L = индуктивность трассы печатной платы, dI = изменение тока через трассу, dt = время изменения тока.
　　
Поэтому по многим причинам лучше применять развязывающие (или развязывающие) конденсаторы на блоке питания или на выводах питания активных устройств.

Шнур питания и провод заземления должны прокладываться вместе.

Положение шнура питания и заземляющего провода хорошо согласовано, чтобы уменьшить вероятность электромагнитных помех. Если линия электропередачи и линия заземления не согласованы должным образом, будет спроектирован системный контур и, вероятно, будет генерироваться шум.

Пример конструкции печатной платы, в которой линия питания и линия заземления не согласованы должным образом, показан на рисунке 2. На этой плате расчетная площадь контура составляет 697 см². Используя метод, показанный на рисунке 3, можно значительно снизить вероятность возникновения помех на печатной плате или ее отключения, вызывающих напряжение в контуре.

Разница между аналоговыми и цифровыми стратегиями подключения

▍Наземная плоскость является проблемой

Базовые знания о подключении печатных плат применимы как к аналоговым, так и к цифровым схемам. Основное эмпирическое правило — использовать непрерывный заземляющий слой. Этот здравый смысл уменьшает эффект dI/dt (изменение тока со временем) в цифровых схемах, который изменяет потенциал земли и вызывает попадание шума в аналоговые схемы.

Методы подключения цифровых и аналоговых схем в основном одинаковы, за одним исключением. Для аналоговых схем следует отметить еще один момент: держите линии и контуры цифровых сигналов на земле как можно дальше от аналоговых схем. Этого можно добиться, подключив аналоговую заземляющую пластину к заземляющему разъему системы отдельно или разместив аналоговую цепь на дальнем конце печатной платы, который является концом линии. Это сделано для того, чтобы свести к минимуму внешние помехи на пути прохождения сигнала.

Нет необходимости делать это для цифровых схем, которые без проблем могут выдерживать большое количество шума на земле.

Рисунок 4 (слева) изолирует действие цифрового переключения от аналоговой схемы и разделяет цифровую и аналоговую части схемы. (Справа) Высокочастотные и низкочастотные компоненты должны быть максимально разделены, а высокочастотные компоненты должны располагаться близко к разъемам печатной платы.

Рисунок 5. Размещение двух близких дорожек на печатной плате позволяет легко сформировать паразитную емкость. Из-за существования такой емкости быстрое изменение напряжения на одной дорожке может генерировать сигнал тока на другой дорожке.

Рисунок 6. Если вы не обращаете внимания на расположение дорожек, дорожки на печатной плате могут создавать линейную индуктивность и взаимную индуктивность. Эта паразитная индуктивность очень вредна для работы схем, в том числе цифровых коммутационных схем.

▍Расположение компонентов

Как уже говорилось выше, в каждой конструкции печатной платы шумовая часть схемы и «тихая» часть (нешумовая часть) должны быть разделены. Вообще говоря, цифровые схемы «богаты» шумом и нечувствительны к шуму (поскольку цифровые схемы имеют большую устойчивость к шуму по напряжению); напротив, устойчивость к шуму по напряжению аналоговых схем намного меньше.

Из этих двух аналоговые схемы наиболее чувствительны к коммутационному шуму. При подключении системы смешанных сигналов эти две цепи следует разделить, как показано на рисунке 4.
　　
▍Паразитные компоненты, созданные при проектировании печатной платы

При проектировании печатной платы легко образуются два основных паразитных элемента, которые могут вызвать проблемы: паразитная емкость и паразитная индуктивность.

При проектировании печатной платы размещение двух дорожек рядом друг с другом приведет к возникновению паразитной емкости. Вы можете сделать это: на двух разных слоях поместите одну трассу поверх другой; или на том же слое поместите одну трассу рядом с другой, как показано на рисунке 5.
　　
В этих двух конфигурациях трасс изменения напряжения с течением времени (dV/dt) на одной трассе могут вызвать появление тока на другой трассе. Если другая дорожка имеет высокий импеданс, ток, генерируемый электрическим полем, будет преобразован в напряжение.
　　
Быстрые переходные процессы напряжения чаще всего возникают на цифровой стороне схемы аналогового сигнала. Если трассы с быстрыми переходными процессами напряжения близки к аналоговым трассам с высоким импедансом, эта ошибка серьезно повлияет на точность аналоговой схемы. В этой среде аналоговые схемы имеют два недостатка: их устойчивость к помехам намного ниже, чем у цифровых схем; и более распространены следы с высоким импедансом.
　　
Использование одного из следующих двух методов может уменьшить это явление. Наиболее часто используемый метод — изменение размера между дорожками в соответствии с уравнением емкости. Наиболее эффективный размер для изменения — это расстояние между двумя трассами. Следует отметить, что переменная d стоит в знаменателе уравнения емкости. По мере увеличения d емкостное реактивное сопротивление будет уменьшаться. Другая переменная, которую можно изменить, — это длина двух трасс. В этом случае длина L уменьшится, а также уменьшится емкостное реактивное сопротивление между двумя дорожками.
　　
Другой метод — проложить заземляющий провод между этими двумя дорожками. Заземляющий провод имеет низкий импеданс, и добавление еще одного такого проводника ослабит электрическое поле помех, как показано на рисунке 5.
　　
Принцип паразитной индуктивности в печатной плате аналогичен принципу паразитной емкости. Также стоит проложить два следа. На двух разных слоях поместите одну дорожку поверх другой; или на том же слое разместите одну трассу рядом с другой, как показано на рисунке 6.

В этих двух конфигурациях проводки изменение тока (dI/dt) дорожки с течением времени из-за индуктивности этой дорожки будет генерировать напряжение на той же самой дорожке; и из-за существования взаимной индуктивности на другой дорожке генерируется пропорциональный ток. Если изменение напряжения на первой трассе достаточно велико, помехи могут снизить допуск по напряжению цифровой схемы и вызвать ошибки. Это явление встречается не только в цифровых схемах, оно более распространено в цифровых схемах из-за больших мгновенных токов переключения в цифровых схемах.
　　
Чтобы устранить потенциальный шум от источников электромагнитных помех, лучше всего отделить «тихие» аналоговые линии от шумных портов ввода-вывода. Чтобы попытаться создать сеть питания и заземления с низким импедансом, индуктивность проводов цифровых цепей должна быть минимизирована, а емкостная связь аналоговых цепей должна быть минимизирована.
　　
03

Заключение

После определения цифровых и аналоговых диапазонов для успешной сборки печатной платы необходима тщательная разводка. Стратегия подключения обычно знакомится всем как практическое правило, поскольку трудно проверить окончательный успех продукта в лабораторных условиях. Поэтому, несмотря на сходство стратегий подключения цифровых и аналоговых схем, различия в стратегиях их подключения необходимо признать и отнестись к ним серьезно.