Në hartimin e PCB-ve, pse është kaq i madh ndryshimi midis qarkut analog dhe qarkut dixhital?

Numri i projektuesve dixhitalë dhe ekspertëve të dizajnit të pllakave dixhitale në fushën e inxhinierisë po rritet vazhdimisht, gjë që pasqyron trendin e zhvillimit të industrisë. Megjithëse theksi mbi dizajnin dixhital ka sjellë zhvillime të mëdha në produktet elektronike, ai ende ekziston dhe do të ketë gjithmonë disa modele qarku që ndërlidhen me mjedise analoge ose reale. Strategjitë e instalimeve elektrike në fushën analoge dhe dixhitale kanë disa ngjashmëri, por kur doni të merrni rezultate më të mira, për shkak të strategjive të ndryshme të instalimeve elektrike, dizajni i thjeshtë i instalimeve elektrike të qarkut nuk është më zgjidhja optimale.

Ky artikull diskuton ngjashmëritë dhe ndryshimet themelore midis instalimeve elektrike analoge dhe dixhitale për sa i përket kondensatorëve anashkalues, furnizimit me energji elektrike, dizajnit të tokës, gabimeve të tensionit dhe ndërhyrjeve elektromagnetike (EMI) të shkaktuara nga instalimet elektrike PCB.

Shtimi i kondensatorëve anashkalues ose shkëputës në bordin e qarkut dhe vendndodhja e këtyre kondensatorëve në tabelë janë kuptim i përbashkët për dizajnet dixhitale dhe analoge. Por interesant është se arsyet janë të ndryshme.

Në dizajnin e instalimeve elektrike analoge, kondensatorët anashkalues zakonisht përdoren për të anashkaluar sinjalet me frekuencë të lartë në furnizimin me energji elektrike. Nëse kondensatorët anashkalues nuk shtohen, këto sinjale me frekuencë të lartë mund të hyjnë në çipa të ndjeshëm analogë përmes kunjave të furnizimit me energji elektrike. Në përgjithësi, frekuenca e këtyre sinjaleve me frekuencë të lartë tejkalon aftësinë e pajisjeve analoge për të shtypur sinjalet me frekuencë të lartë. Nëse kondensatori i anashkalimit nuk përdoret në qarkun analog, zhurma mund të futet në shtegun e sinjalit dhe në raste më serioze mund të shkaktojë edhe dridhje.

Në dizajnin analog dhe dixhital të PCB-ve, kondensatorët anashkalues ose shkëputës (0.1uF) duhet të vendosen sa më afër pajisjes. Kondensatori i shkëputjes së furnizimit me energji elektrike (10uF) duhet të vendoset në hyrjen e linjës elektrike të tabelës së qarkut. Në të gjitha rastet, kunjat e këtyre kondensatorëve duhet të jenë të shkurtra.

Në tabelën e qarkut në figurën 2, përdoren rrugë të ndryshme për të kaluar telat e rrymës dhe tokëzimit. Për shkak të këtij bashkëpunimi jo të duhur, komponentët elektronikë dhe qarqet në tabelën e qarkut kanë më shumë gjasa të jenë subjekt i ndërhyrjeve elektromagnetike.

Në panelin e vetëm të figurës 3, telat e fuqisë dhe tokëzimit tek komponentët në tabelën e qarkut janë afër njëri-tjetrit. Raporti i përputhjes së linjës së energjisë dhe linjës tokësore në këtë tabelë qarku është i përshtatshëm siç tregohet në figurën 2. Probabiliteti që komponentët dhe qarqet elektronike në bordin e qarkut t'i nënshtrohen interferencës elektromagnetike (EMI) zvogëlohet me 679/12.8 herë ose rreth 54 herë.
　　
Për pajisjet dixhitale si kontrollorët dhe procesorët, kërkohen gjithashtu kondensatorë shkëputës, por për arsye të ndryshme. Një funksion i këtyre kondensatorëve është të veprojnë si një bankë ngarkimi "miniaturë".

Në qarqet dixhitale, zakonisht kërkohet një sasi e madhe rryme për të kryer ndërrimin e gjendjes së portës. Meqenëse rrymat kalimtare të ndërrimit gjenerohen në çip gjatë ndërrimit dhe rrjedhin përmes tabelës së qarkut, është e dobishme të keni tarifa shtesë "rezerva". Nëse nuk ka ngarkesë të mjaftueshme gjatë kryerjes së veprimit të ndërrimit, voltazhi i furnizimit me energji do të ndryshojë shumë. Ndryshimi i tepërt i tensionit do të bëjë që niveli i sinjalit dixhital të hyjë në një gjendje të pasigurt dhe mund të shkaktojë që makina e gjendjes në pajisjen dixhitale të funksionojë gabimisht.

Rryma e komutimit që rrjedh nëpër gjurmën e bordit të qarkut do të shkaktojë ndryshimin e tensionit dhe gjurma e bordit të qarkut ka induktivitet parazitar. Formula e mëposhtme mund të përdoret për të llogaritur ndryshimin e tensionit: V = LdI/dt. Midis tyre: V = ndryshimi i tensionit, L = induktiviteti i gjurmës së tabelës së qarkut, dI = ndryshimi i rrymës përmes gjurmës, dt = koha e ndryshimit të rrymës.
　　
Prandaj, për shumë arsye, është më mirë të aplikoni kondensatorë anashkalues (ose shkëputës) në furnizimin me energji elektrike ose në kunjat e furnizimit me energji të pajisjeve aktive.

Kordoni i rrymës dhe teli i tokëzimit duhet të kalohen së bashku

Pozicioni i kordonit të energjisë dhe telit të tokëzimit përputhen mirë për të zvogëluar mundësinë e ndërhyrjes elektromagnetike. Nëse linja e energjisë dhe linja tokësore nuk përputhen siç duhet, do të projektohet një lak sistemi dhe ka të ngjarë të krijohet zhurmë.

Një shembull i një dizajni PCB ku linja e energjisë dhe linja tokësore nuk përputhen siç duhet është paraqitur në Figurën 2. Në këtë tabelë qarku, sipërfaqja e projektuar e lakut është 697 cm². Duke përdorur metodën e treguar në figurën 3, mundësia e zhurmës së rrezatuar në ose jashtë bordit të qarkut që shkakton tension në lak mund të reduktohet shumë.

Dallimi midis strategjive të instalimeve elektrike analoge dhe dixhitale

▍Aeroplani i tokës është një problem

Njohuritë bazë të instalimeve elektrike të bordit të qarkut janë të zbatueshme si për qarqet analoge ashtu edhe për ato dixhitale. Një rregull themelor është përdorimi i një plani tokësor të pandërprerë. Ky sens i përbashkët zvogëlon efektin dI/dt (ndryshimi i rrymës me kohën) në qarqet dixhitale, i cili ndryshon potencialin e tokës dhe shkakton zhurmën që të hyjë në qarqet analoge.

Teknikat e instalimeve elektrike për qarqet dixhitale dhe analoge janë në thelb të njëjta, me një përjashtim. Për qarqet analoge, ka një pikë tjetër për t'u theksuar, domethënë, mbajini linjat e sinjalit dixhital dhe sythe në rrafshin e tokës sa më larg qarqeve analoge. Kjo mund të arrihet duke lidhur rrafshin analog të tokëzimit me lidhjen tokësore të sistemit veçmas, ose duke vendosur qarkun analog në skajin më të largët të tabelës së qarkut, që është fundi i linjës. Kjo është bërë për të mbajtur në minimum ndërhyrjen e jashtme në rrugën e sinjalit.

Nuk ka nevojë ta bëni këtë për qarqet dixhitale, të cilat mund të tolerojnë shumë zhurmë në rrafshin e tokës pa probleme.

Figura 4 (majtas) izolon veprimin e komutimit dixhital nga qarku analog dhe ndan pjesët dixhitale dhe analoge të qarkut. (Djathtas) Frekuenca e lartë dhe frekuenca e ulët duhet të ndahen sa më shumë që të jetë e mundur, dhe përbërësit e frekuencës së lartë duhet të jenë afër lidhësve të bordit të qarkut.

Figura 5 Paraqitja e dy gjurmëve të ngushta në PCB, është e lehtë të formohet kapaciteti parazitar. Për shkak të ekzistencës së këtij lloji të kapacitetit, një ndryshim i shpejtë i tensionit në njërën gjurmë mund të gjenerojë një sinjal aktual në gjurmën tjetër.

Figura 6 Nëse nuk i kushtoni vëmendje vendosjes së gjurmëve, gjurmët në PCB mund të prodhojnë induktancë të linjës dhe induktancë reciproke. Kjo induktancë parazitare është shumë e dëmshme për funksionimin e qarqeve duke përfshirë qarqet komutuese dixhitale.

▍Vendndodhja e komponentit

Siç u përmend më lart, në çdo dizajn PCB, pjesa e zhurmës së qarkut dhe pjesa "e qetë" (pjesa pa zhurmë) duhet të ndahen. Në përgjithësi, qarqet dixhitale janë "të pasura" me zhurmë dhe janë të pandjeshëm ndaj zhurmës (sepse qarqet dixhitale kanë një tolerancë më të madhe ndaj zhurmës ndaj tensionit); përkundrazi, toleranca ndaj zhurmës së tensionit të qarqeve analoge është shumë më e vogël.

Nga të dy, qarqet analoge janë më të ndjeshëm ndaj zhurmës së ndërrimit. Në instalimet elektrike të një sistemi me sinjal të përzier, këto dy qarqe duhet të ndahen, siç tregohet në figurën 4.
　　
▍Përbërësit parazitarë të krijuar nga dizajni i PCB-ve

Dy elementë bazë parazitarë që mund të shkaktojnë probleme formohen lehtësisht në dizajnimin e PCB-ve: kapaciteti parazitar dhe induktiviteti parazitar.

Kur dizajnoni një tabelë qarku, vendosja e dy gjurmëve afër njëra-tjetrës do të gjenerojë kapacitet parazitar. Mund ta bëni këtë: Në dy shtresa të ndryshme, vendosni njërën gjurmë mbi gjurmën tjetër; ose në të njëjtën shtresë, vendosni njërën gjurmë pranë gjurmës tjetër, siç tregohet në figurën 5.
　　
Në këto dy konfigurime gjurmësh, ndryshimet në tension me kalimin e kohës (dV/dt) në njërën gjurmë mund të shkaktojnë rrymë në gjurmën tjetër. Nëse gjurma tjetër është me rezistencë të lartë, rryma e krijuar nga fusha elektrike do të shndërrohet në tension.
　　
Kalimet e shpejta të tensionit ndodhin më shpesh në anën dixhitale të modelit të sinjalit analog. Nëse gjurmët me tranziente të tensionit të shpejtë janë afër gjurmëve analoge me rezistencë të lartë, ky gabim do të ndikojë seriozisht në saktësinë e qarkut analog. Në këtë mjedis, qarqet analoge kanë dy disavantazhe: toleranca e tyre ndaj zhurmës është shumë më e ulët se ajo e qarqeve dixhitale; dhe gjurmët me impedancë të lartë janë më të zakonshme.
　　
Përdorimi i njërës nga dy teknikat e mëposhtme mund ta zvogëlojë këtë fenomen. Teknika më e përdorur është ndryshimi i madhësisë ndërmjet gjurmëve sipas ekuacionit të kapacitetit. Madhësia më efektive për të ndryshuar është distanca midis dy gjurmëve. Duhet të theksohet se ndryshorja d është në emëruesin e ekuacionit të kapacitetit. Ndërsa d rritet, reaktanca kapacitive do të ulet. Një variabël tjetër që mund të ndryshohet është gjatësia e dy gjurmëve. Në këtë rast, gjatësia L zvogëlohet, dhe reaksioni kapacitiv midis dy gjurmëve gjithashtu do të ulet.
　　
Një teknikë tjetër është vendosja e një teli tokëzues midis këtyre dy gjurmëve. Teli i tokëzimit është me rezistencë të ulët, dhe shtimi i një gjurmë tjetër si kjo do të dobësojë fushën elektrike të ndërhyrjes, siç tregohet në Figurën 5.
　　
Parimi i induktivitetit parazitar në tabelën e qarkut është i ngjashëm me atë të kapacitetit parazitar. Është gjithashtu për të shtruar dy gjurmë. Në dy shtresa të ndryshme, vendosni njërën gjurmë mbi gjurmën tjetër; ose në të njëjtën shtresë, vendosni një gjurmë pranë tjetrës, siç tregohet në figurën 6.

Në këto dy konfigurime instalime elektrike, ndryshimi i rrymës (dI/dt) i një gjurme me kohën, për shkak të induktivitetit të kësaj gjurme, do të gjenerojë tension në të njëjtën gjurmë; dhe për shkak të ekzistimit të induktivitetit të ndërsjellë, do të krijohet një rrymë proporcionale në gjurmën tjetër. Nëse ndryshimi i tensionit në gjurmën e parë është mjaft i madh, ndërhyrja mund të zvogëlojë tolerancën e tensionit të qarkut dixhital dhe të shkaktojë gabime. Ky fenomen nuk ndodh vetëm në qarqet dixhitale, por ky fenomen është më i zakonshëm në qarqet dixhitale për shkak të rrymave të mëdha të kalimit të menjëhershëm në qarqet dixhitale.
　　
Për të eliminuar zhurmën e mundshme nga burimet e interferencave elektromagnetike, është më mirë të ndani linjat analoge "të qeta" nga portat I/O të zhurmshme. Për t'u përpjekur për të arritur një rrjet me fuqi dhe tokëzim me rezistencë të ulët, induktiviteti i telave të qarkut dixhital duhet të minimizohet dhe bashkimi kapacitiv i qarqeve analoge duhet të minimizohet.
　　
03

konkluzioni

Pasi të përcaktohen diapazoni dixhital dhe analog, rrugëtimi i kujdesshëm është thelbësor për një PCB të suksesshëm. Strategjia e instalimeve elektrike zakonisht prezantohet për të gjithë si një rregull i madh, sepse është e vështirë të testosh suksesin përfundimtar të produktit në një mjedis laboratorik. Prandaj, pavarësisht nga ngjashmëritë në strategjitë e instalimeve elektrike të qarqeve dixhitale dhe analoge, ndryshimet në strategjitë e tyre të instalimeve elektrike duhet të njihen dhe të merren seriozisht.