Število digitalnih oblikovalcev in strokovnjakov za oblikovanje digitalnih vezij na inženirskem področju nenehno narašča, kar odraža trend razvoja industrije. Čeprav je poudarek na digitalnem oblikovanju prinesel velik razvoj elektronskih izdelkov, še vedno obstaja in vedno bo nekaj modelov vezij, ki se povezujejo z analognimi ali resničnimi okolji. Strategije ožičenja na analognem in digitalnem področju imajo nekaj podobnosti, vendar ko želite doseči boljše rezultate, zaradi različnih strategij ožičenja preprosta zasnova ožičenja ni več optimalna rešitev.

Ta članek obravnava osnovne podobnosti in razlike med analognim in digitalnim ožičenjem v smislu obvodnih kondenzatorjev, napajalnikov, zasnove ozemljitve, napetostnih napak in elektromagnetnih motenj (EMI), ki jih povzroča ožičenje PCB.

Število digitalnih oblikovalcev in strokovnjakov za oblikovanje digitalnih vezij na inženirskem področju nenehno narašča, kar odraža trend razvoja industrije. Čeprav je poudarek na digitalnem oblikovanju prinesel velik razvoj elektronskih izdelkov, še vedno obstaja in vedno bo nekaj modelov vezij, ki se povezujejo z analognimi ali resničnimi okolji. Strategije ožičenja na analognem in digitalnem področju imajo nekaj podobnosti, vendar ko želite doseči boljše rezultate, zaradi različnih strategij ožičenja preprosta zasnova ožičenja ni več optimalna rešitev.

Ta članek obravnava osnovne podobnosti in razlike med analognim in digitalnim ožičenjem v smislu obvodnih kondenzatorjev, napajalnikov, zasnove ozemljitve, napetostnih napak in elektromagnetnih motenj (EMI), ki jih povzroča ožičenje PCB.

Dodajanje obvodnih ali ločilnih kondenzatorjev na tiskano vezje in lokacija teh kondenzatorjev na plošči je zdrava pamet za digitalne in analogne modele. A zanimivo, razlogi so različni.

Pri načrtovanju analognega ožičenja se obvodni kondenzatorji običajno uporabljajo za obhod visokofrekvenčnih signalov na napajalniku. Če obvodni kondenzatorji niso dodani, lahko ti visokofrekvenčni signali vstopijo v občutljive analogne čipe skozi napajalne nožice. Na splošno frekvenca teh visokofrekvenčnih signalov presega zmožnost analognih naprav za zatiranje visokofrekvenčnih signalov. Če v analognem vezju ne uporabljate obvodnega kondenzatorja, se lahko na poti signala pojavi šum, v resnejših primerih pa lahko povzroči celo tresljaje.

Pri analogni in digitalni zasnovi tiskanega vezja morajo biti obvodni ali ločilni kondenzatorji (0,1 uF) nameščeni čim bližje napravi. Kondenzator za ločitev napajalnika (10uF) je treba namestiti na vhod napajalnega voda na tiskanem vezju. V vseh primerih morajo biti nožice teh kondenzatorjev kratke.

Na vezju na sliki 2 so različne poti uporabljene za napeljavo napajalnih in ozemljitvenih žic. Zaradi tega nepravilnega sodelovanja je večja verjetnost, da bodo elektronske komponente in vezja na tiskanem vezju izpostavljeni elektromagnetnim motnjam.

V enojni plošči na sliki 3 sta napajalni in ozemljitveni vodnik do komponent na tiskanem vezju blizu drug drugega. Razmerje ujemanja električnega voda in ozemljitvenega voda v tem vezju je ustrezno, kot je prikazano na sliki 2. Verjetnost, da bodo elektronske komponente in vezja v vezju izpostavljeni elektromagnetnim motnjam (EMI), se zmanjša za 679/12,8-krat oz. približno 54-krat.
　　
Za digitalne naprave, kot so krmilniki in procesorji, so potrebni tudi ločilni kondenzatorji, vendar iz drugih razlogov. Ena od funkcij teh kondenzatorjev je, da delujejo kot "miniaturna" polnilna banka.

V digitalnih vezjih je za preklop stanja vrat običajno potrebna velika količina toka. Ker se preklopni prehodni tokovi ustvarjajo na čipu med preklapljanjem in tečejo skozi vezje, je koristno imeti dodatne "rezervne" naboje. Če med izvajanjem preklopa ni dovolj napolnjenosti, se bo napajalna napetost močno spremenila. Prevelika sprememba napetosti bo povzročila, da raven digitalnega signala preide v negotovo stanje in lahko povzroči nepravilno delovanje avtomata stanja v digitalni napravi.

Preklopni tok, ki teče skozi vezje, bo povzročil spremembo napetosti, vezje pa ima parazitsko induktivnost. Za izračun spremembe napetosti lahko uporabite naslednjo formulo: V = LdI/dt. Med njimi: V = sprememba napetosti, L = induktivnost sledi vezja, dI = sprememba toka skozi sled, dt = čas spremembe toka.
　　
Zato je iz več razlogov bolje uporabiti obvodne (ali ločilne) kondenzatorje na napajalniku ali na napajalnih zatičih aktivnih naprav.

Napajalni kabel in ozemljitvena žica morata biti napeljana skupaj

Položaj napajalnega kabla in ozemljitvene žice sta dobro usklajena, da se zmanjša možnost elektromagnetnih motenj. Če napajalni in ozemljitveni vod nista pravilno usklajena, se bo oblikovala sistemska zanka in verjetno bo nastal šum.

Primer zasnove tiskanega vezja, kjer napajalni in ozemljitveni vod nista pravilno usklajena, je prikazan na sliki 2. Na tem vezju je načrtovana površina zanke 697 cm². Z uporabo metode, prikazane na sliki 3, je mogoče močno zmanjšati možnost sevanega hrupa na vezju ali izven njega, ki povzroča napetost v zanki.

Razlika med analognimi in digitalnimi strategijami ožičenja

▍Težava je ozemljitvena plošča

Osnovno znanje o ožičenju vezja je uporabno za analogna in digitalna vezja. Osnovno pravilo je uporaba neprekinjene ozemljitvene ravnine. Ta zdrava pamet zmanjša učinek dI/dt (sprememba toka s časom) v digitalnih vezjih, ki spremeni ozemljitveni potencial in povzroči, da šum vstopi v analogna vezja.

Tehnike ožičenja za digitalna in analogna vezja so v bistvu enake, z eno izjemo. Za analogna vezja je treba upoštevati še eno točko, in sicer naj bodo digitalni signalni vodi in zanke v ozemljitveni ravnini čim dlje od analognih vezij. To lahko dosežete tako, da analogno ozemljitveno ploščo ločeno povežete s sistemsko ozemljitveno povezavo ali postavite analogno vezje na skrajni konec vezja, ki je konec linije. To se naredi, da so zunanje motnje na signalni poti čim manjše.

Za digitalna vezja, ki brez težav prenesejo veliko šuma na ozemljitveni ravnini, tega ni treba storiti.

Slika 4 (levo) ločuje digitalno preklapljanje od analognega vezja in ločuje digitalne in analogne dele vezja. (Desno) Visoka in nizka frekvenca morata biti čim bolj ločeni, visokofrekvenčne komponente pa morajo biti blizu priključkov na vezju.

Slika 5 Postavitev dveh tesnih sledi na PCB, je enostavno oblikovati parazitsko kapacitivnost. Zaradi obstoja te vrste kapacitivnosti lahko hitra sprememba napetosti na eni sledi ustvari tokovni signal na drugi sledi.

Slika 6 Če ne boste pozorni na postavitev sledi, lahko sledi v tiskanem vezju povzročijo linijsko induktivnost in medsebojno induktivnost. Ta parazitska induktivnost je zelo škodljiva za delovanje vezij, vključno z digitalnimi preklopnimi vezji.

▍Lokacija komponente

Kot je bilo omenjeno zgoraj, je treba v vsaki zasnovi PCB ločiti hrupni del vezja in "tihi" del (nešumni del). Na splošno so digitalna vezja »bogata« s šumom in neobčutljiva na šum (ker imajo digitalna vezja večjo toleranco za napetostni šum); nasprotno, toleranca napetostnega šuma analognih vezij je veliko manjša.

Od obeh so analogna vezja najbolj občutljiva na preklopni šum. Pri ožičenju sistema z mešanimi signali morata biti ti dve vezji ločeni, kot je prikazano na sliki 4.
　　
▍ Parazitske komponente, ustvarjene z zasnovo PCB

Dva osnovna parazitska elementa, ki lahko povzročita težave, se zlahka oblikujeta pri načrtovanju PCB: parazitska kapacitivnost in parazitska induktivnost.

Pri načrtovanju vezja bo postavitev dveh sledi blizu druga druge ustvarila parazitsko kapacitivnost. To lahko storite: Na dveh različnih slojih postavite eno sled na drugo sled; ali na isti plasti postavite eno sled zraven druge, kot je prikazano na sliki 5.
　　
V teh dveh konfiguracijah sledi lahko spremembe napetosti skozi čas (dV/dt) na eni sledi povzročijo tok na drugi sledi. Če je druga sled visoka impedanca, se tok, ki ga ustvari električno polje, pretvori v napetost.
　　
Hitri napetostni prehodi se najpogosteje pojavijo na digitalni strani zasnove analognega signala. Če so sledi s hitrimi napetostnimi prehodi blizu analognih sledi z visoko impedanco, bo ta napaka resno vplivala na natančnost analognega vezja. V tem okolju imajo analogna vezja dve slabosti: njihova toleranca na hrup je veliko nižja kot pri digitalnih vezjih; in sledi z visoko impedanco so pogostejše.
　　
Uporaba ene od naslednjih dveh tehnik lahko zmanjša ta pojav. Najpogosteje uporabljena tehnika je spreminjanje velikosti med sledmi glede na kapacitivno enačbo. Najučinkovitejša velikost za spreminjanje je razdalja med obema sledoma. Upoštevati je treba, da je spremenljivka d v imenovalcu kapacitivne enačbe. Ko d narašča, se kapacitivna reaktanca zmanjšuje. Druga spremenljivka, ki jo je mogoče spremeniti, je dolžina obeh sledi. V tem primeru se dolžina L zmanjša, zmanjša pa se tudi kapacitivna reaktanca med obema sledoma.
　　
Druga tehnika je polaganje ozemljitvene žice med ti dve sledi. Ozemljitvena žica ima nizko impedanco in dodajanje druge takšne sledi bo oslabilo interferenčno električno polje, kot je prikazano na sliki 5.
　　
Načelo parazitske induktivnosti v vezju je podobno principu parazitske kapacitivnosti. Prav tako je treba postaviti dve sledi. Na dveh različnih slojih položite eno sled na drugo sled; ali na isti plasti postavite eno sled zraven druge, kot je prikazano na sliki 6.

V teh dveh konfiguracijah ožičenja bo sprememba toka (dI/dt) sledi s časom zaradi induktivnosti te sledi ustvarila napetost na isti sledi; in zaradi obstoja medsebojne induktivnosti bo Na drugi sledi se ustvari sorazmeren tok. Če je sprememba napetosti na prvi sledi dovolj velika, lahko motnje zmanjšajo napetostno toleranco digitalnega vezja in povzročijo napake. Ta pojav se ne pojavlja le v digitalnih vezjih, ampak je pogostejši v digitalnih vezjih zaradi velikih trenutnih preklopnih tokov v digitalnih vezjih.
　　
Da bi odpravili potencialni šum iz virov elektromagnetnih motenj, je najbolje ločiti »tihe« analogne linije od hrupnih V/I vrat. Da bi poskušali doseči električno in ozemljitveno omrežje z nizko impedanco, je treba čim bolj zmanjšati induktivnost žic digitalnega vezja in zmanjšati kapacitivno sklopitev analognih vezij.
　　
03

Zaključek

Po določitvi digitalnih in analognih razponov je skrbno usmerjanje bistvenega pomena za uspešno PCB. Strategija ožičenja je običajno vsem predstavljena kot pravilo, saj je težko preizkusiti končni uspeh izdelka v laboratorijskem okolju. Zato je treba kljub podobnostim v strategijah ožičenja digitalnih in analognih vezij prepoznati razlike v njihovih strategijah ožičenja in jih jemati resno.