I PCB-design, varför är skillnaden mellan analog krets och digital krets så stor?

Antalet digitala designers och digitala kretskortdesignexperter inom teknikområdet ökar ständigt, vilket återspeglar branschens utvecklingstrend. Även om tonvikten på digital design har lett till stora utvecklingar inom elektroniska produkter, finns den fortfarande, och det kommer alltid att finnas några kretsdesigner som samverkar med analoga eller verkliga miljöer. Ledningsstrategier inom det analoga och digitala området har vissa likheter, men när du vill få bättre resultat, på grund av deras olika ledningsstrategier, är enkel kretsledningsdesign inte längre den optimala lösningen.

Den här artikeln diskuterar de grundläggande likheterna och skillnaderna mellan analoga och digitala ledningar när det gäller bypass-kondensatorer, strömförsörjning, jorddesign, spänningsfel och elektromagnetisk störning (EMI) orsakad av PCB-ledningar.

Att lägga till bypass- eller frånkopplingskondensatorer på kretskortet och placeringen av dessa kondensatorer på kortet är sunt förnuft för digitala och analoga konstruktioner. Men intressant nog är orsakerna olika.

I analog ledningskonstruktion används vanligtvis bypass-kondensatorer för att kringgå högfrekventa signaler på strömförsörjningen. Om bypass-kondensatorer inte läggs till kan dessa högfrekventa signaler komma in i känsliga analoga chips genom strömförsörjningsstiften. Generellt sett överstiger frekvensen av dessa högfrekventa signaler analoga enheters förmåga att undertrycka högfrekventa signaler. Om förbikopplingskondensatorn inte används i den analoga kretsen kan brus införas i signalvägen, och i allvarligare fall kan det till och med orsaka vibrationer.

I analog och digital PCB-design bör bypass- eller frånkopplingskondensatorer (0,1uF) placeras så nära enheten som möjligt. Avkopplingskondensatorn för strömförsörjningen (10uF) bör placeras vid ingången till kretskortets kraftledning. I alla fall bör stiften på dessa kondensatorer vara korta.

På kretskortet i figur 2 används olika vägar för att dra ström- och jordledningarna. På grund av detta felaktiga samarbete är det mer sannolikt att de elektroniska komponenterna och kretsarna på kretskortet utsätts för elektromagnetiska störningar.

I den enskilda panelen i figur 3 är ström- och jordledningarna till komponenterna på kretskortet nära varandra. Matchningsförhållandet mellan kraftledningen och jordledningen i detta kretskort är lämpligt som visas i figur 2. Sannolikheten för att elektroniska komponenter och kretsar i kretskortet utsätts för elektromagnetisk störning (EMI) minskas med 679/12,8 gånger eller ca 54 gånger.
　　
För digitala enheter som styrenheter och processorer krävs även frånkopplingskondensatorer, men av olika anledningar. En funktion hos dessa kondensatorer är att fungera som en "miniatyr" laddningsbank.

I digitala kretsar krävs vanligtvis en stor mängd ström för att utföra omkoppling av grindtillstånd. Eftersom switchande transienta strömmar genereras på chipet under switching och flöde genom kretskortet, är det fördelaktigt att ha ytterligare "reservladdningar". Om det inte finns tillräckligt med laddning när du utför växlingsåtgärden kommer nätspänningen att ändras kraftigt. För mycket spänningsförändring kommer att göra att den digitala signalnivån går in i ett osäkert tillstånd och kan få tillståndsmaskinen i den digitala enheten att fungera felaktigt.

Omkopplingsströmmen som flyter genom kretskortspåret kommer att få spänningen att ändras, och kretskortspåret har parasitisk induktans. Följande formel kan användas för att beräkna spänningsändringen: V = LdI/dt. Bland dem: V = spänningsändring, L = kretskortsspårinduktans, dI = strömändring genom kurvan, dt = strömändringstid.
　　
Av många anledningar är det därför bättre att applicera bypass- (eller frånkopplings-) kondensatorer vid strömförsörjningen eller på strömförsörjningsstiften på aktiva enheter.

Nätsladden och jordledningen ska dras tillsammans

Nätsladdens och jordledningens placering är väl anpassade för att minska risken för elektromagnetiska störningar. Om kraftledningen och jordledningen inte är korrekt matchade kommer en systemslinga att utformas och brus kommer sannolikt att genereras.

Ett exempel på en PCB-design där kraftledningen och jordledningen inte är korrekt matchade visas i figur 2. På detta kretskort är den designade slingarean 697 cm². Genom att använda metoden som visas i figur 3 kan möjligheten att utstrålat brus på eller utanför kretskortet inducerar spänning i slingan reduceras avsevärt.

Skillnaden mellan analoga och digitala ledningsstrategier

▍Jordplanet är ett problem

Den grundläggande kunskapen om kretskortskabeldragning är tillämplig på både analoga och digitala kretsar. En grundläggande tumregel är att använda ett oavbrutet jordplan. Detta sunda förnuft minskar dI/dt-effekten (strömförändring med tiden) i digitala kretsar, vilket ändrar jordpotentialen och gör att brus kommer in i analoga kretsar.

Ledningsteknikerna för digitala och analoga kretsar är i princip desamma, med ett undantag. För analoga kretsar finns det en annan punkt att notera, det vill säga att hålla de digitala signallinjerna och slingorna i jordplanet så långt borta från de analoga kretsarna som möjligt. Detta kan uppnås genom att ansluta det analoga jordplanet till systemjordanslutningen separat, eller placera den analoga kretsen längst ut på kretskortet, vilket är slutet på linjen. Detta görs för att hålla den externa störningen på signalvägen till ett minimum.

Det finns inget behov av att göra detta för digitala kretsar, som kan tolerera mycket brus på jordplanet utan problem.

Figur 4 (vänster) isolerar den digitala omkopplingsfunktionen från den analoga kretsen och separerar de digitala och analoga delarna av kretsen. (Höger) Högfrekvensen och lågfrekvensen bör separeras så mycket som möjligt, och högfrekvenskomponenterna bör vara nära kretskortsanslutningarna.

Figur 5 Layout två nära spår på PCB, är det lätt att bilda parasitisk kapacitans. På grund av förekomsten av denna typ av kapacitans kan en snabb spänningsförändring på ett spår generera en strömsignal på det andra spåret.

Figur 6 Om du inte är uppmärksam på placeringen av spåren kan spåren i kretskortet producera linjeinduktans och ömsesidig induktans. Denna parasitiska induktans är mycket skadlig för driften av kretsar inklusive digitala omkopplingskretsar.

▍ Komponentplacering

Som nämnts ovan, i varje PCB-design, bör brusdelen av kretsen och den "tysta" delen (icke-brusdelen) separeras. Generellt sett är digitala kretsar "rika" på brus och är okänsliga för brus (eftersom digitala kretsar har en större spänningsbrustolerans); tvärtom är spänningsbrustoleransen för analoga kretsar mycket mindre.

Av de två är analoga kretsar de mest känsliga för kopplingsbrus. I kabeldragningen i ett system med blandade signaler bör dessa två kretsar separeras, som visas i figur 4.
　　
▍Parasitkomponenter genererade av PCB-design

Två grundläggande parasitiska element som kan orsaka problem bildas lätt i PCB-design: parasitisk kapacitans och parasitisk induktans.

När du designar ett kretskort kommer att placera två spår nära varandra generera parasitisk kapacitans. Du kan göra så här: På två olika lager, placera ett spår ovanpå det andra spåret; eller på samma lager, placera ett spår bredvid det andra spåret, som visas i figur 5.
　　
I dessa två spårkonfigurationer kan förändringar i spänning över tiden (dV/dt) på en kurva orsaka ström på den andra kurvan. Om det andra spåret har hög impedans kommer strömmen som genereras av det elektriska fältet att omvandlas till spänning.
　　
Snabba spänningstransienter förekommer oftast på den digitala sidan av den analoga signaldesignen. Om spåren med snabba spänningstransienter är nära analoga spår med hög impedans, kommer detta fel att allvarligt påverka noggrannheten hos den analoga kretsen. I denna miljö har analoga kretsar två nackdelar: deras brustolerans är mycket lägre än för digitala kretsar; och högimpedansspår är vanligare.
　　
Att använda en av följande två tekniker kan minska detta fenomen. Den vanligaste tekniken är att ändra storleken mellan spåren enligt kapacitansekvationen. Den mest effektiva storleken att ändra är avståndet mellan de två spåren. Det bör noteras att variabeln d är i nämnaren för kapacitansekvationen. När d ökar kommer den kapacitiva reaktansen att minska. En annan variabel som kan ändras är längden på de två spåren. I detta fall minskar längden L, och den kapacitiva reaktansen mellan de två spåren kommer också att minska.
　　
En annan teknik är att lägga en jordledning mellan dessa två spår. Jordledningen har låg impedans och att lägga till ytterligare ett spår som detta kommer att försvaga det elektriska interferensfältet, som visas i figur 5.
　　
Principen för parasitisk induktans i kretskortet liknar den för parasitisk kapacitans. Det är också att lägga ut två spår. På två olika lager, placera ett spår ovanpå det andra spåret; eller på samma lager, placera ett spår bredvid det andra, som visas i figur 6.

I dessa två ledningskonfigurationer kommer strömändringen (dI/dt) av ett spår med tiden, på grund av induktansen för detta spår, att generera spänning på samma spår; och på grund av förekomsten av ömsesidig induktans kommer det att En proportionell ström genereras på det andra spåret. Om spänningsändringen på den första kurvan är tillräckligt stor, kan störningar minska spänningstoleransen för den digitala kretsen och orsaka fel. Detta fenomen förekommer inte bara i digitala kretsar, utan detta fenomen är vanligare i digitala kretsar på grund av de stora momentana omkopplingsströmmarna i digitala kretsar.
　　
För att eliminera potentiellt brus från elektromagnetiska störningskällor är det bäst att separera "tysta" analoga linjer från brusiga I/O-portar. För att försöka uppnå ett lågimpedanskraft- och jordnätverk bör induktansen för digitala kretsledningar minimeras och den kapacitiva kopplingen av analoga kretsar minimeras.
　　
03

Slutsats

Efter att de digitala och analoga räckvidden har bestämts är noggrann routing avgörande för ett framgångsrikt PCB. Ledningsstrategi introduceras vanligtvis för alla som en tumregel, eftersom det är svårt att testa produktens slutgiltiga framgång i en laboratoriemiljö. Därför, trots likheterna i kopplingsstrategierna för digitala och analoga kretsar, måste skillnaderna i deras ledningsstrategier erkännas och tas på allvar.