Број дигиталних дизајнера и стручњака за дизајн дигиталних штампаних плоча у области инжењеринга се стално повећава, што одражава тренд развоја индустрије. Иако је нагласак на дигиталном дизајну довео до великог развоја електронских производа, он и даље постоји и увек ће постојати неки дизајни кола који се повезују са аналогним или стварним окружењем. Стратегије ожичења у аналогном и дигиталном пољу имају неке сличности, али када желите да добијете боље резултате, због њихових различитих стратегија ожичења, једноставан дизајн ожичења више није оптимално решење.

Овај чланак говори о основним сличностима и разликама између аналогног и дигиталног ожичења у смислу бајпас кондензатора, извора напајања, дизајна уземљења, грешака напона и електромагнетних сметњи (ЕМИ) узрокованих ПЦБ ожичењем.

Број дигиталних дизајнера и стручњака за дизајн дигиталних штампаних плоча у области инжењеринга се стално повећава, што одражава тренд развоја индустрије. Иако је нагласак на дигиталном дизајну довео до великог развоја електронских производа, он и даље постоји и увек ће постојати неки дизајни кола који се повезују са аналогним или стварним окружењем. Стратегије ожичења у аналогном и дигиталном пољу имају неке сличности, али када желите да добијете боље резултате, због њихових различитих стратегија ожичења, једноставан дизајн ожичења више није оптимално решење.

Овај чланак говори о основним сличностима и разликама између аналогног и дигиталног ожичења у смислу бајпас кондензатора, извора напајања, дизајна уземљења, грешака напона и електромагнетних сметњи (ЕМИ) узрокованих ПЦБ ожичењем.

Додавање кондензатора за премошћивање или раздвајање на плочи и локација ових кондензатора на плочи су здрав разум за дигиталне и аналогне дизајне. Али занимљиво је да су разлози различити.

У дизајну аналогног ожичења, обилазни кондензатори се обично користе за заобилажење високофреквентних сигнала на извору напајања. Ако се бајпас кондензатори не додају, ови високофреквентни сигнали могу ући у осетљиве аналогне чипове преко пинова напајања. Уопштено говорећи, фреквенција ових високофреквентних сигнала превазилази способност аналогних уређаја да потисну високофреквентне сигнале. Ако се бајпас кондензатор не користи у аналогном колу, може доћи до појаве шума у ​​путањи сигнала, ау озбиљнијим случајевима чак и до вибрација.

У аналогном и дигиталном дизајну ПЦБ-а, кондензатори за премошћивање или раздвајање (0,1уФ) треба да буду постављени што ближе уређају. Кондензатор за раздвајање напајања (10уФ) треба поставити на улаз за струјну линију на плочи. У свим случајевима, пинови ових кондензатора треба да буду кратки.

На штампаној плочи на слици 2, различите руте се користе за усмеравање жица за напајање и уземљење. Због ове неправилне сарадње, вероватније је да ће електронске компоненте и кола на плочи бити подложни електромагнетним сметњама.

На једном панелу на слици 3, жице за напајање и уземљење до компоненти на плочи су близу једна другој. Однос поклапања линије напајања и уземљења у овој плочи је одговарајући као што је приказано на слици 2. Вероватноћа да ће електронске компоненте и кола на плочи бити изложени електромагнетним сметњама (ЕМИ) смањена је за 679/12,8 пута или око 54 пута.
　　
За дигиталне уређаје као што су контролери и процесори, кондензатори за раздвајање су такође потребни, али из различитих разлога. Једна од функција ових кондензатора је да делују као „минијатурна“ банка пуњења.

У дигиталним колима је обично потребна велика количина струје да би се извршило пребацивање стања капије. Пошто се прелазне струје комутације генеришу на чипу током пребацивања и теку кроз плочу, корисно је имати додатна „резервна“ наелектрисања. Ако нема довољно напуњености приликом обављања радње пребацивања, напон напајања ће се значајно променити. Превелика промена напона ће довести до тога да ниво дигиталног сигнала уђе у неизвесно стање и може проузроковати да машина стања у дигиталном уређају не ради исправно.

Преклопна струја која тече кроз траг плоче ће узроковати промену напона, а траг плоче има паразитску индуктивност. За израчунавање промене напона може се користити следећа формула: В = ЛдИ/дт. Међу њима: В = промена напона, Л = индуктивност трага на плочи, дИ = промена струје кроз траг, дт = време промене струје.
　　
Због тога је из много разлога боље применити кондензаторе за премошћивање (или раздвајање) на извор напајања или на пинове напајања активних уређаја.

Кабл за напајање и жица за уземљење треба да буду постављени заједно

Положај кабла за напајање и жице за уземљење су добро усклађени како би се смањила могућност електромагнетних сметњи. Ако струјни вод и земаљски вод нису правилно усклађени, системска петља ће бити пројектована и вероватно ће се генерисати шум.

Пример дизајна ПЦБ-а где линија напајања и уземљење нису правилно усклађени приказан је на слици 2. На овој плочи, пројектована површина петље је 697 цм². Користећи методу приказану на слици 3, могућност зраченог шума на плочи или ван ње која индукује напон у петљи може се знатно смањити.

Разлика између аналогних и дигиталних стратегија ожичења

▍Уземљење је проблем

Основно знање о ожичењу плоча је применљиво и на аналогна и на дигитална кола. Основно правило је да користите непрекидну уземљење. Овај здрав разум смањује дИ/дт (промена струје са временом) ефекат у дигиталним колима, што мења потенцијал земље и узрокује да шум уђе у аналогна кола.

Технике ожичења за дигитална и аналогна кола су у основи исте, са једним изузетком. За аналогна кола, треба напоменути још једну ствар, то јест, држите дигиталне сигналне линије и петље у равни уземљења што је даље могуће од аналогних кола. Ово се може постићи одвојеним повезивањем аналогне равни уземљења са везом за уземљење система или постављањем аналогног кола на удаљенији крај плоче, што је крај линије. Ово се ради како би се спољне сметње на путу сигнала свеле на минимум.

Нема потребе да се ово ради за дигитална кола, која могу толерисати много буке на земаљској равни без проблема.

Слика 4 (лево) изолује дигитално пребацивање од аналогног кола и раздваја дигитални и аналогни део кола. (Десно) Високу фреквенцију и ниску фреквенцију треба раздвојити што је више могуће, а компоненте високе фреквенције треба да буду близу конектора на штампаној плочи.

Слика 5 Поставите два блиска трага на ПЦБ, лако је формирати паразитски капацитет. Због постојања ове врсте капацитивности, брза промена напона на једном трагу може да генерише струјни сигнал на другом трагу.

Слика 6. Ако не обратите пажњу на постављање трагова, трагови у ПЦБ-у могу произвести линијску индуктивност и међусобну индуктивност. Ова паразитска индуктивност је веома штетна за рад кола укључујући дигитална склопна кола.

▍Локација компоненте

Као што је горе поменуто, у сваком дизајну ПЦБ-а, део са шумом кола и „тихи“ део (део без буке) треба да буду одвојени. Уопштено говорећи, дигитална кола су „богата“ шумом и неосетљива су на шум (јер дигитална кола имају већу толеранцију на напонски шум); напротив, толеранција напонског шума аналогних кола је много мања.

Од ова два, аналогна кола су најосетљивија на шум при пребацивању. У ожичењу система са мешовитим сигналом, ова два кола треба да буду раздвојена, као што је приказано на слици 4.
　　
▍Паразитске компоненте генерисане дизајном ПЦБ-а

Два основна паразитна елемента који могу изазвати проблеме лако се формирају у дизајну ПЦБ-а: паразитни капацитет и паразитна индуктивност.

Када дизајнирате плочу, постављање два трага близу један другом ће створити паразитски капацитет. Ово можете учинити: На два различита слоја, поставите један траг на други траг; или на истом слоју, поставите један траг поред другог трага, као што је приказано на слици 5.
　　
У ове две конфигурације трага, промене напона током времена (дВ/дт) на једном трагу могу изазвати струју на другом трагу. Ако је други траг висока импеданса, струја коју генерише електрично поље ће се претворити у напон.
　　
Брзи напонски транзијенти најчешће се јављају на дигиталној страни дизајна аналогног сигнала. Ако су трагови са брзим транзијентима напона близу аналогних трагова високе импедансе, ова грешка ће озбиљно утицати на тачност аналогног кола. У овом окружењу, аналогна кола имају два недостатка: њихова толеранција на шум је много нижа од оне код дигиталних кола; а чешћи су трагови високе импедансе.
　　
Коришћење једне од следеће две технике може смањити овај феномен. Најчешће коришћена техника је промена величине између трагова према једначини капацитивности. Најефикаснија величина за промену је растојање између два трага. Треба напоменути да је променљива д у имениоцу једначине капацитивности. Како се д повећава, капацитивна реактанца ће се смањити. Друга променљива која се може променити је дужина два трага. У овом случају, дужина Л се смањује, а капацитивна реактанца између два трага такође ће се смањити.
　　
Друга техника је постављање жице за уземљење између ова два трага. Жица за уземљење је ниске импеданце, а додавање још једног оваквог трага ће ослабити електрично поље интерференције, као што је приказано на слици 5.
　　
Принцип паразитске индуктивности у плочи је сличан оном код паразитног капацитета. Такође треба да постави два трага. На два различита слоја, поставите један траг на други траг; или на истом слоју поставите један траг поред другог, као што је приказано на слици 6.

У ове две конфигурације ожичења, промена струје (дИ/дт) трага током времена, услед индуктивности овог трага, ће генерисати напон на истом трагу; а због постојања међусобне индуктивности ће се на другом трагу ствара пропорционална струја. Ако је промена напона на првом трагу довољно велика, сметње могу смањити толеранцију напона дигиталног кола и изазвати грешке. Овај феномен се не јавља само у дигиталним колима, већ је овај феномен чешћи у дигиталним колима због великих тренутних струја пребацивања у дигиталним колима.
　　
Да бисте елиминисали потенцијални шум из извора електромагнетних сметњи, најбоље је одвојити „тихе“ аналогне линије од бучних И/О портова. Да бисте покушали да постигнете нискоимпедансну мрежу за напајање и уземљење, индуктивност жица дигиталног кола треба минимизирати, а капацитивну спрегу аналогних кола треба минимизирати.
　　
03

Закључак

Након што се одреде дигитални и аналогни опсег, пажљиво усмеравање је неопходно за успешан ПЦБ. Стратегија ожичења се обично упознаје са свима као правило, јер је тешко тестирати крајњи успех производа у лабораторијском окружењу. Стога, упркос сличностима у стратегијама ожичења дигиталних и аналогних кола, разлике у њиховим стратегијама ожичења морају се препознати и узети озбиљно.