Katika muundo wa PCB, kwa nini tofauti kati ya saketi ya analogi na saketi ya dijiti ni kubwa sana?

Idadi ya wabunifu wa dijiti na wataalam wa muundo wa bodi ya mzunguko wa dijiti katika uwanja wa uhandisi inaongezeka mara kwa mara, ambayo inaonyesha mwelekeo wa maendeleo ya tasnia. Ingawa msisitizo wa muundo wa kidijitali umeleta maendeleo makubwa katika bidhaa za kielektroniki, bado upo, na daima kutakuwa na miundo fulani ya saketi inayoingiliana na analogi au mazingira halisi. Mikakati ya wiring katika uwanja wa analog na dijiti ina kufanana, lakini unapotaka kupata matokeo bora, kwa sababu ya mikakati yao tofauti ya wiring, muundo rahisi wa wiring wa mzunguko sio suluhisho bora tena.

Makala haya yanajadili ulinganifu na tofauti za kimsingi kati ya wiring za analogi na dijiti katika suala la vidhibiti vya kupita kiasi, vifaa vya umeme, muundo wa ardhi, hitilafu za voltage, na mwingiliano wa sumakuumeme (EMI) unaosababishwa na nyaya za PCB.

Kuongeza bypass au decoupling capacitors kwenye bodi ya mzunguko na eneo la capacitors hizi kwenye ubao ni akili ya kawaida kwa miundo ya digital na analog. Lakini cha kufurahisha, sababu ni tofauti.

Katika muundo wa wiring wa analog, capacitors za bypass kawaida hutumiwa kupitisha ishara za masafa ya juu kwenye usambazaji wa umeme. Ikiwa capacitors za bypass hazitaongezwa, mawimbi haya ya masafa ya juu yanaweza kuingia chip nyeti za analogi kupitia pini za usambazaji wa nishati. Kwa ujumla, marudio ya mawimbi haya ya masafa ya juu yanazidi uwezo wa vifaa vya analogi kukandamiza mawimbi ya masafa ya juu. Ikiwa capacitor ya bypass haitumiwi katika mzunguko wa analog, kelele inaweza kuletwa kwenye njia ya ishara, na katika hali mbaya zaidi, inaweza hata kusababisha vibration.

Katika muundo wa PCB ya analogi na dijiti, vidhibiti vya kupitisha au vya kutenganisha (0.1uF) vinapaswa kuwekwa karibu na kifaa iwezekanavyo. Capacitor ya kusambaza umeme (10uF) inapaswa kuwekwa kwenye mlango wa mstari wa umeme wa bodi ya mzunguko. Katika hali zote, pini za capacitors hizi zinapaswa kuwa fupi.

Kwenye ubao wa mzunguko katika Mchoro 2, njia tofauti hutumiwa kusambaza waya za nguvu na za chini. Kutokana na ushirikiano huu usiofaa, vipengele vya kielektroniki na mizunguko kwenye bodi ya mzunguko vina uwezekano mkubwa wa kuingiliwa na sumakuumeme.

Katika jopo moja la Mchoro wa 3, waya za nguvu na za chini kwa vipengele kwenye bodi ya mzunguko ziko karibu na kila mmoja. Uwiano unaolingana wa laini ya umeme na mstari wa ardhini katika ubao huu wa mzunguko unafaa kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2. Uwezekano wa vipengele vya kielektroniki na saketi katika bodi ya mzunguko kuathiriwa na kuingiliwa na sumakuumeme (EMI) umepunguzwa kwa mara 679/12.8 au takriban mara 54.
　　
Kwa vifaa vya dijiti kama vile vidhibiti na vichakataji, vidhibiti vya kutenganisha pia vinahitajika, lakini kwa sababu tofauti. Moja ya kazi ya capacitors hizi ni kufanya kama benki ya malipo "ndogo".

Katika nyaya za digital, kiasi kikubwa cha sasa kinahitajika kufanya ubadilishaji wa hali ya lango. Kwa kuwa kubadili mikondo ya muda mfupi huzalishwa kwenye chip wakati wa kubadili na mtiririko kupitia bodi ya mzunguko, ni faida kuwa na malipo ya ziada ya "vipuri". Ikiwa hakuna malipo ya kutosha wakati wa kufanya hatua ya kubadili, voltage ya umeme itabadilika sana. Mabadiliko mengi ya voltage yatasababisha kiwango cha mawimbi ya dijiti kuingia katika hali isiyo ya hakika, na inaweza kusababisha mashine ya hali katika kifaa cha dijiti kufanya kazi vibaya.

Mzunguko wa sasa unaozunguka kupitia ufuatiliaji wa bodi ya mzunguko utasababisha mabadiliko ya voltage, na ufuatiliaji wa bodi ya mzunguko una inductance ya vimelea. Fomu ifuatayo inaweza kutumika kuhesabu mabadiliko ya voltage: V = LdI/dt. Miongoni mwao: V = mabadiliko ya voltage, L = inductance ya ufuatiliaji wa bodi ya mzunguko, dI = mabadiliko ya sasa kwa njia ya kufuatilia, dt = wakati wa mabadiliko ya sasa.
　　
Kwa hiyo, kwa sababu nyingi, ni bora kutumia bypass (au decoupling) capacitors kwenye usambazaji wa umeme au pini za usambazaji wa nguvu za vifaa vinavyotumika.

Kamba ya nguvu na waya ya chini inapaswa kupitishwa pamoja

Msimamo wa kamba ya nguvu na waya wa chini hulingana vizuri ili kupunguza uwezekano wa kuingiliwa kwa umeme. Ikiwa laini ya umeme na laini ya ardhini hazilinganishwi ipasavyo, kitanzi cha mfumo kitaundwa na kuna uwezekano wa kelele kuzalishwa.

Mfano wa muundo wa PCB ambapo njia ya umeme na laini ya ardhini hazilingani vizuri umeonyeshwa kwenye Mchoro 2. Kwenye ubao huu wa mzunguko, eneo la kitanzi lililoundwa ni 697cm². Kwa kutumia njia iliyoonyeshwa kwenye Mchoro wa 3, uwezekano wa kelele ya mionzi juu au nje ya bodi ya mzunguko wa voltage inducing katika kitanzi inaweza kupunguzwa sana.

Tofauti kati ya mikakati ya kuunganisha waya za analogi na dijiti

▍Ndege ya ardhini ni tatizo

Ujuzi wa msingi wa wiring wa bodi ya mzunguko unatumika kwa saketi za analog na dijiti. Kanuni ya msingi ya kidole gumba ni kutumia ndege ya ardhini isiyoingiliwa. Akili hii ya kawaida inapunguza athari ya dI/dt (mabadiliko ya sasa na wakati) katika mizunguko ya dijiti, ambayo hubadilisha uwezo wa ardhini na kusababisha kelele kuingia kwenye saketi za analogi.

Mbinu za wiring kwa nyaya za dijiti na analogi kimsingi ni sawa, isipokuwa moja. Kwa mizunguko ya analog, kuna hatua nyingine ya kumbuka, ambayo ni, kuweka mistari ya ishara ya dijiti na matanzi kwenye ndege ya ardhini mbali na mizunguko ya analog iwezekanavyo. Hii inaweza kupatikana kwa kuunganisha ndege ya ardhi ya analog kwenye uunganisho wa ardhi ya mfumo tofauti, au kuweka mzunguko wa analog kwenye mwisho wa bodi ya mzunguko, ambayo ni mwisho wa mstari. Hii imefanywa ili kuweka kuingiliwa kwa nje kwenye njia ya ishara kwa kiwango cha chini.

Hakuna haja ya kufanya hivyo kwa nyaya za digital, ambazo zinaweza kuvumilia kelele nyingi kwenye ndege ya chini bila matatizo.

Mchoro wa 4 (kushoto) hutenganisha hatua ya kubadili dijiti kutoka kwa saketi ya analogi na kutenganisha sehemu za dijitali na analogi za saketi. (Kulia) Mzunguko wa juu na mzunguko wa chini unapaswa kutengwa iwezekanavyo, na vipengele vya juu vya mzunguko vinapaswa kuwa karibu na viunganisho vya bodi ya mzunguko.

Mchoro 5 Mpangilio wa athari mbili za karibu kwenye PCB, ni rahisi kuunda uwezo wa vimelea. Kutokana na kuwepo kwa aina hii ya capacitance, mabadiliko ya haraka ya voltage kwenye ufuatiliaji mmoja yanaweza kuzalisha ishara ya sasa kwenye ufuatiliaji mwingine.

Mchoro wa 6 Usipozingatia uwekaji wa athari, athari katika PCB inaweza kutoa uingizaji wa mstari na uingizaji wa pande zote. Uingizaji huu wa vimelea ni hatari sana kwa uendeshaji wa nyaya ikiwa ni pamoja na nyaya za kubadili digital.

▍Eneo la sehemu

Kama ilivyoelezwa hapo juu, katika kila muundo wa PCB, sehemu ya kelele ya mzunguko na sehemu "ya utulivu" (sehemu isiyo ya kelele) inapaswa kutengwa. Kwa ujumla, nyaya za digital ni "tajiri" katika kelele na hazijali kelele (kwa sababu nyaya za digital zina uvumilivu mkubwa wa kelele ya voltage); kinyume chake, uvumilivu wa kelele ya voltage ya nyaya za analog ni ndogo sana.

Kati ya hizo mbili, mizunguko ya analog ndio nyeti zaidi kwa kubadilisha kelele. Katika wiring ya mfumo wa mawimbi mchanganyiko, saketi hizi mbili zinapaswa kutengwa, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4.
　　
▍Vipengele vya vimelea vinavyotengenezwa na muundo wa PCB

Vipengele viwili vya msingi vya vimelea vinavyoweza kusababisha matatizo vinaundwa kwa urahisi katika muundo wa PCB: uwezo wa vimelea na inductance ya vimelea.

Wakati wa kuunda bodi ya mzunguko, kuweka alama mbili karibu na kila mmoja zitazalisha uwezo wa vimelea. Unaweza kufanya hivi: Kwenye tabaka mbili tofauti, weka alama moja juu ya nyingine; au kwenye safu ile ile, weka alama moja karibu na nyingine, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5.
　　
Katika usanidi huu wa ufuatiliaji, mabadiliko ya voltage baada ya muda (dV/dt) kwenye ufuatiliaji mmoja yanaweza kusababisha mkondo kwenye ufuatiliaji mwingine. Ikiwa ufuatiliaji mwingine ni impedance ya juu, sasa inayotokana na shamba la umeme itabadilishwa kuwa voltage.
　　
Vipindi vya kasi vya voltage mara nyingi hutokea kwa upande wa digital wa muundo wa ishara ya analog. Ikiwa athari zilizo na transients za haraka za voltage ziko karibu na athari za analog za kiwango cha juu, hitilafu hii itaathiri sana usahihi wa mzunguko wa analog. Katika mazingira haya, nyaya za analog zina hasara mbili: uvumilivu wao wa kelele ni wa chini sana kuliko ule wa nyaya za digital; na athari ya juu ya impedance ni ya kawaida zaidi.
　　
Kutumia mojawapo ya mbinu mbili zifuatazo kunaweza kupunguza jambo hili. Mbinu inayotumika zaidi ni kubadilisha saizi kati ya athari kulingana na equation ya uwezo. Ukubwa wa ufanisi zaidi wa kubadilisha ni umbali kati ya athari mbili. Ikumbukwe kwamba kutofautiana d ni katika denominator ya equation capacitance. Kadiri d inavyoongezeka, mwitikio wa capacitive utapungua. Tofauti nyingine ambayo inaweza kubadilishwa ni urefu wa athari mbili. Katika kesi hii, urefu wa L hupungua, na majibu ya capacitive kati ya athari mbili pia itapungua.
　　
Mbinu nyingine ni kuweka waya wa ardhini kati ya athari hizi mbili. Waya ya ardhini ina kizuizi kidogo, na kuongeza alama nyingine kama hii kutadhoofisha sehemu ya umeme ya mwingiliano, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5.
　　
Kanuni ya inductance ya vimelea katika bodi ya mzunguko ni sawa na uwezo wa vimelea. Pia ni kuweka alama mbili. Kwenye tabaka mbili tofauti, weka alama moja juu ya nyingine; au kwenye safu ile ile, weka alama moja karibu na nyingine, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 6.

Katika usanidi huu wa wiring mbili, mabadiliko ya sasa (dI/dt) ya ufuatiliaji kwa wakati, kutokana na inductance ya ufuatiliaji huu, itazalisha voltage kwenye ufuatiliaji sawa; na kutokana na kuwepo kwa inductance ya kuheshimiana, itakuwa Mkondo wa uwiano unazalishwa kwenye athari nyingine. Ikiwa mabadiliko ya voltage kwenye ufuatiliaji wa kwanza ni kubwa ya kutosha, kuingiliwa kunaweza kupunguza uvumilivu wa voltage ya mzunguko wa digital na kusababisha makosa. Jambo hili halijitokei tu katika mizunguko ya kidijitali, lakini jambo hili ni la kawaida zaidi katika mizunguko ya kidijitali kwa sababu ya mikondo mikubwa ya kubadili mara moja katika nyaya za kidijitali.
　　
Ili kuondoa kelele inayoweza kutokea kutoka kwa vyanzo vya kuingiliwa kwa sumakuumeme, ni bora kutenganisha mistari ya analogi "ya utulivu" kutoka kwa bandari zenye kelele za I/O. Ili kujaribu kufikia nguvu ya chini ya impedance na mtandao wa ardhi, inductance ya waya za mzunguko wa digital inapaswa kupunguzwa, na kuunganisha capacitive ya nyaya za analog inapaswa kupunguzwa.
　　
03

Hitimisho

Baada ya safu za dijitali na analogi kubainishwa, uelekezaji kwa uangalifu ni muhimu kwa PCB iliyofanikiwa. Mkakati wa wiring kawaida huletwa kwa kila mtu kama kanuni ya kawaida, kwa sababu ni vigumu kupima mafanikio ya mwisho ya bidhaa katika mazingira ya maabara. Kwa hiyo, licha ya kufanana katika mikakati ya wiring ya nyaya za digital na analog, tofauti katika mikakati yao ya wiring lazima itambuliwe na kuchukuliwa kwa uzito.