Prečo je pri návrhu PCB rozdiel medzi analógovým obvodom a digitálnym obvodom taký veľký?

Počet digitálnych dizajnérov a odborníkov na dizajn digitálnych dosiek plošných spojov v oblasti strojárstva sa neustále zvyšuje, čo odráža vývojový trend tohto odvetvia. Aj keď dôraz na digitálny dizajn priniesol významný vývoj v elektronických produktoch, stále existuje a vždy budú existovať návrhy obvodov, ktoré sú prepojené s analógovým alebo skutočným prostredím. Stratégie zapojenia v analógových a digitálnych poliach majú určité podobnosti, ale ak chcete dosiahnuť lepšie výsledky, kvôli ich odlišným stratégiám zapojenia, jednoduchý návrh zapojenia obvodu už nie je optimálnym riešením.

Tento článok pojednáva o základných podobnostiach a rozdieloch medzi analógovým a digitálnym zapojením, pokiaľ ide o obtokové kondenzátory, napájacie zdroje, dizajn uzemnenia, chyby napätia a elektromagnetické rušenie (EMI) spôsobené zapojením PCB.

Pridanie obtokových alebo oddeľovacích kondenzátorov na obvodovú dosku a umiestnenie týchto kondenzátorov na doske sú zdravým rozumom pre digitálne a analógové návrhy. Zaujímavé však je, že dôvody sú rôzne.

V dizajne analógového zapojenia sa obtokové kondenzátory zvyčajne používajú na obídenie vysokofrekvenčných signálov na napájacom zdroji. Ak nie sú pridané obtokové kondenzátory, tieto vysokofrekvenčné signály môžu vstúpiť do citlivých analógových čipov cez kolíky napájania. Všeobecne povedané, frekvencia týchto vysokofrekvenčných signálov prevyšuje schopnosť analógových zariadení potlačiť vysokofrekvenčné signály. Ak sa v analógovom obvode nepoužíva obtokový kondenzátor, do signálovej cesty sa môže dostať šum a vo vážnejších prípadoch môže dokonca spôsobiť vibrácie.

V analógovom a digitálnom dizajne PCB by mali byť obtokové alebo oddeľovacie kondenzátory (0,1 uF) umiestnené čo najbližšie k zariadeniu. Oddeľovací kondenzátor napájacieho zdroja (10uF) by mal byť umiestnený na vstupe elektrického vedenia dosky plošných spojov. Vo všetkých prípadoch by mali byť kolíky týchto kondenzátorov krátke.

Na doske plošných spojov na obrázku 2 sa na vedenie napájacích a uzemňovacích vodičov používajú rôzne trasy. V dôsledku tejto nesprávnej spolupráce sú elektronické komponenty a obvody na doske s plošnými spojmi pravdepodobnejšie vystavené elektromagnetickému rušeniu.

Na jednom paneli na obrázku 3 sú napájacie a uzemňovacie vodiče ku komponentom na doske plošných spojov blízko seba. Pomer zhody elektrického vedenia a uzemňovacieho vedenia v tejto doske s obvodmi je vhodný, ako je znázornené na obrázku 2. Pravdepodobnosť, že elektronické komponenty a obvody na doske s obvodmi budú vystavené elektromagnetickému rušeniu (EMI), sa zníži 679/12,8-krát resp. asi 54 krát.
　　
Pre digitálne zariadenia, ako sú ovládače a procesory, sú tiež potrebné oddeľovacie kondenzátory, ale z iných dôvodov. Jednou z funkcií týchto kondenzátorov je pôsobiť ako „miniatúrna“ nabíjacia banka.

V digitálnych obvodoch je zvyčajne potrebné veľké množstvo prúdu na prepínanie stavu brány. Keďže pri spínaní vznikajú na čipe spínacie prechodové prúdy, ktoré pretekajú obvodovou doskou, je výhodné mať ďalšie „náhradné“ náboje. Ak pri prepínaní nie je dostatočné nabitie, napätie napájacieho zdroja sa výrazne zmení. Príliš veľká zmena napätia spôsobí, že úroveň digitálneho signálu vstúpi do neistého stavu a môže spôsobiť nesprávne fungovanie stavového automatu v digitálnom zariadení.

Spínací prúd pretekajúci cez stopu dosky plošných spojov spôsobí zmenu napätia a stopa dosky plošných spojov má parazitnú indukčnosť. Na výpočet zmeny napätia možno použiť nasledujúci vzorec: V = LdI/dt. Medzi nimi: V = zmena napätia, L = indukčnosť stopy obvodovej dosky, dI = zmena prúdu cez stopu, dt = čas zmeny prúdu.
　　
Preto je z mnohých dôvodov lepšie použiť bypass (alebo oddeľovacie) kondenzátory na napájacom zdroji alebo na napájacích kolíkoch aktívnych zariadení.

Napájací kábel a uzemňovací vodič by mali byť vedené spolu

Pozícia napájacieho kábla a uzemňovacieho vodiča sú dobre prispôsobené, aby sa znížila možnosť elektromagnetického rušenia. Ak elektrické vedenie a uzemňovacie vedenie nie sú správne zosúladené, navrhne sa systémová slučka a pravdepodobne sa vytvorí šum.

Príklad návrhu PCB, kde elektrické vedenie a uzemňovacie vedenie nie sú správne zladené, je znázornené na obrázku 2. Na tejto doske plošných spojov je navrhnutá plocha slučky 697 cm². Použitím metódy znázornenej na obrázku 3 možno výrazne znížiť možnosť vyžarovaného šumu na doske alebo mimo nej indukujúceho napätie v slučke.

Rozdiel medzi analógovými a digitálnymi stratégiami zapojenia

▍ Základná rovina je problém

Základné znalosti o zapojení dosiek plošných spojov sú použiteľné pre analógové aj digitálne obvody. Základným pravidlom je použitie neprerušovanej základnej roviny. Tento zdravý rozum znižuje efekt dI/dt (zmena prúdu s časom) v digitálnych obvodoch, ktorý mení potenciál zeme a spôsobuje, že šum vstupuje do analógových obvodov.

Techniky zapojenia pre digitálne a analógové obvody sú v podstate rovnaké, s jednou výnimkou. Pokiaľ ide o analógové obvody, je potrebné poznamenať, že digitálne signálové vedenia a slučky musia byť v základnej rovine čo najďalej od analógových obvodov. Dá sa to dosiahnuť samostatným pripojením analógovej uzemňovacej roviny k systémovej uzemňovacej prípojke alebo umiestnením analógového obvodu na vzdialený koniec dosky plošných spojov, čo je koniec linky. Toto sa robí preto, aby bolo vonkajšie rušenie na signálovej ceste minimálne.

Pri digitálnych obvodoch, ktoré bez problémov znesú veľa hluku na základnej rovine, to nie je potrebné.

Obrázok 4 (vľavo) izoluje činnosť digitálneho spínania od analógového obvodu a oddeľuje digitálnu a analógovú časť obvodu. (Vpravo) Vysokofrekvenčné a nízke frekvencie by mali byť čo najviac oddelené a vysokofrekvenčné komponenty by mali byť blízko konektorov dosky plošných spojov.

Obrázok 5 Rozloženie dvoch blízkych stôp na doske plošných spojov, je ľahké vytvoriť parazitnú kapacitu. V dôsledku existencie tohto druhu kapacity môže rýchla zmena napätia na jednej stope generovať prúdový signál na druhej stope.

Obrázok 6 Ak nevenujete pozornosť umiestneniu stôp, stopy v doske plošných spojov môžu vytvárať indukčnosť vedenia a vzájomnú indukčnosť. Táto parazitná indukčnosť je veľmi škodlivá pre činnosť obvodov vrátane digitálnych spínacích obvodov.

▍Umiestnenie komponentov

Ako už bolo spomenuté vyššie, v každom návrhu PCB by mala byť oddelená šumová časť obvodu a „tichá“ časť (nešumová časť). Všeobecne povedané, digitálne obvody sú „bohaté“ na šum a sú necitlivé na šum (pretože digitálne obvody majú väčšiu toleranciu napäťového šumu); naopak, tolerancia napäťového šumu analógových obvodov je oveľa menšia.

Z týchto dvoch sú analógové obvody najcitlivejšie na spínací šum. V zapojení systému so zmiešaným signálom by mali byť tieto dva obvody oddelené, ako je znázornené na obrázku 4.
　　
▍Parazitické súčiastky generované dizajnom PCB

Dva základné parazitné prvky, ktoré môžu spôsobovať problémy, sa v návrhu DPS ľahko vytvoria: parazitná kapacita a parazitná indukčnosť.

Pri navrhovaní dosky plošných spojov umiestnenie dvoch stôp blízko seba vytvorí parazitnú kapacitu. Môžete to urobiť takto: Na dvoch rôznych vrstvách položte jednu stopu na druhú; alebo na rovnakú vrstvu umiestnite jednu stopu vedľa druhej stopy, ako je znázornené na obrázku 5.
　　
V týchto dvoch konfiguráciách stopy môžu zmeny napätia v priebehu času (dV/dt) na jednej stope spôsobiť prúd na druhej stope. Ak má druhá stopa vysokú impedanciu, prúd generovaný elektrickým poľom sa premení na napätie.
　　
Rýchle napäťové prechody sa najčastejšie vyskytujú na digitálnej strane analógového signálu. Ak sú stopy s rýchlymi napäťovými prechodmi blízko k vysokoimpedančným analógovým stopám, táto chyba vážne ovplyvní presnosť analógového obvodu. V tomto prostredí majú analógové obvody dve nevýhody: ich tolerancia šumu je oveľa nižšia ako u digitálnych obvodov; a stopy s vysokou impedanciou sú bežnejšie.
　　
Použitie jednej z nasledujúcich dvoch techník môže znížiť tento jav. Najčastejšie používanou technikou je zmena veľkosti medzi stopami podľa kapacitnej rovnice. Najúčinnejšia veľkosť na zmenu je vzdialenosť medzi dvoma stopami. Treba poznamenať, že premenná d je v menovateli kapacitnej rovnice. Ako sa d zvyšuje, kapacitná reaktancia sa znižuje. Ďalšou premennou, ktorú možno zmeniť, je dĺžka dvoch stôp. V tomto prípade sa dĺžka L zníži a kapacitná reaktancia medzi dvoma stopami sa tiež zníži.
　　
Ďalšou technikou je položenie uzemňovacieho vodiča medzi tieto dve stopy. Uzemňovací vodič má nízku impedanciu a pridanie ďalšej stopy, ako je táto, oslabí interferenčné elektrické pole, ako je znázornené na obrázku 5.
　　
Princíp parazitnej indukčnosti v obvodovej doske je podobný ako pri parazitnej kapacite. Je to tiež rozloženie dvoch stôp. Na dvoch rôznych vrstvách položte jednu stopu na druhú; alebo na rovnakú vrstvu umiestnite jednu stopu vedľa druhej, ako je znázornené na obrázku 6.

V týchto dvoch konfiguráciách vedenia, zmena prúdu (dI/dt) stopy s časom, v dôsledku indukčnosti tejto stopy, generuje napätie na tej istej stope; a vzhľadom na existenciu vzájomnej indukčnosti bude Na druhej stope sa generuje proporcionálny prúd. Ak je zmena napätia na prvej stope dostatočne veľká, rušenie môže znížiť toleranciu napätia digitálneho obvodu a spôsobiť chyby. Tento jav sa nevyskytuje len v digitálnych obvodoch, ale tento jav je bežnejší v digitálnych obvodoch kvôli veľkým okamžitým spínacím prúdom v digitálnych obvodoch.
　　
Na elimináciu potenciálneho šumu zo zdrojov elektromagnetického rušenia je najlepšie oddeliť „tiché“ analógové linky od zašumených I/O portov. Na dosiahnutie nízkoimpedančnej napájacej a uzemňovacej siete by sa mala minimalizovať indukčnosť vodičov digitálnych obvodov a mala by sa minimalizovať kapacitná väzba analógových obvodov.
　　
03

Záver

Po určení digitálnych a analógových rozsahov je pre úspešné PCB nevyhnutné starostlivé smerovanie. Stratégia zapojenia je zvyčajne predstavená každému ako všeobecné pravidlo, pretože je ťažké otestovať konečný úspech produktu v laboratórnom prostredí. Preto, napriek podobnostiam v stratégiách zapojenia digitálnych a analógových obvodov, rozdiely v stratégiách ich zapojenia musia byť uznané a brané vážne.