ในการออกแบบ PCB เหตุใดความแตกต่างระหว่างวงจรแอนะล็อกและวงจรดิจิทัลจึงใหญ่มาก

จำนวนนักออกแบบดิจิทัลและผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบแผงวงจรดิจิทัลในสาขาวิศวกรรมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสะท้อนถึงแนวโน้มการพัฒนาของอุตสาหกรรม แม้ว่าการเน้นไปที่การออกแบบดิจิทัลจะนำมาซึ่งการพัฒนาที่สำคัญในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็ยังมีอยู่ และจะมีการออกแบบวงจรบางส่วนที่เชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมแบบอะนาล็อกหรือจริงอยู่เสมอ กลยุทธ์การเดินสายไฟในเขตข้อมูลแอนะล็อกและดิจิทัลมีความคล้ายคลึงกัน แต่เมื่อคุณต้องการได้รับผลลัพธ์ที่ดีขึ้น เนื่องจากกลยุทธ์การเดินสายที่แตกต่างกัน การออกแบบการเดินสายวงจรอย่างง่ายจึงไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดอีกต่อไป

บทความนี้จะกล่าวถึงความคล้ายคลึงและความแตกต่างพื้นฐานระหว่างการเดินสายอนาล็อกและดิจิตอลในแง่ของตัวเก็บประจุบายพาส อุปกรณ์จ่ายไฟ การออกแบบกราวด์ ข้อผิดพลาดของแรงดันไฟฟ้า และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่เกิดจากการเดินสาย PCB

การเพิ่มตัวเก็บประจุบายพาสหรือการแยกตัวบนแผงวงจรและตำแหน่งของตัวเก็บประจุเหล่านี้บนบอร์ดเป็นเรื่องปกติสำหรับการออกแบบดิจิทัลและแอนะล็อก แต่ที่น่าสนใจก็คือ เหตุผลนั้นแตกต่างออกไป

ในการออกแบบสายไฟแบบอะนาล็อก ตัวเก็บประจุบายพาสมักจะใช้เพื่อเลี่ยงสัญญาณความถี่สูงบนแหล่งจ่ายไฟ หากไม่ได้เพิ่มตัวเก็บประจุบายพาส สัญญาณความถี่สูงเหล่านี้อาจเข้าสู่ชิปแอนะล็อกที่มีความละเอียดอ่อนผ่านพินของแหล่งจ่ายไฟ โดยทั่วไปแล้ว ความถี่ของสัญญาณความถี่สูงเหล่านี้เกินความสามารถของอุปกรณ์อะนาล็อกในการระงับสัญญาณความถี่สูง หากไม่ได้ใช้ตัวเก็บประจุบายพาสในวงจรแอนะล็อก อาจเกิดสัญญาณรบกวนในเส้นทางสัญญาณ และในกรณีที่ร้ายแรงกว่านั้น อาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนด้วยซ้ำ

ในการออกแบบ PCB แบบอะนาล็อกและดิจิทัล ควรวางตัวเก็บประจุบายพาสหรือแยกตัว (0.1uF) ใกล้กับอุปกรณ์มากที่สุด ควรวางตัวเก็บประจุแยกตัวจ่ายไฟ (10uF) ไว้ที่ทางเข้าสายไฟของแผงวงจร ในทุกกรณี พินของตัวเก็บประจุเหล่านี้ควรสั้น

บนแผงวงจรในรูปที่ 2 มีการใช้เส้นทางที่แตกต่างกันเพื่อกำหนดเส้นทางสายไฟและสายดิน เนื่องจากความร่วมมือที่ไม่เหมาะสมนี้ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และวงจรบนแผงวงจรจึงมีแนวโน้มที่จะถูกรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้ามากขึ้น

ในแผงเดียวของรูปที่ 3 สายไฟและสายดินไปยังส่วนประกอบบนแผงวงจรจะอยู่ใกล้กัน อัตราการจับคู่ของสายไฟและสายกราวด์ในแผงวงจรนี้มีความเหมาะสมดังแสดงในรูปที่ 2 ความน่าจะเป็นที่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และวงจรในแผงวงจรจะถูกรบกวนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ลดลง 679/12.8 เท่า หรือ ประมาณ 54 ครั้ง
　　
สำหรับอุปกรณ์ดิจิทัล เช่น ตัวควบคุมและโปรเซสเซอร์ จำเป็นต้องมีการแยกตัวเก็บประจุด้วย แต่ด้วยเหตุผลที่ต่างกัน หน้าที่หนึ่งของตัวเก็บประจุเหล่านี้คือทำหน้าที่เป็นธนาคารชาร์จ "จิ๋ว"

ในวงจรดิจิทัล โดยปกติต้องใช้กระแสจำนวนมากเพื่อทำการสลับสถานะเกต เนื่องจากการสลับกระแสชั่วคราวจะถูกสร้างขึ้นบนชิประหว่างการสลับและไหลผ่านแผงวงจร การมีประจุ "สำรอง" เพิ่มเติมจึงเป็นประโยชน์ หากมีประจุไม่เพียงพอเมื่อทำการสวิตชิ่ง แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้ามากเกินไปจะทำให้ระดับสัญญาณดิจิทัลเข้าสู่สถานะที่ไม่แน่นอน และอาจทำให้เครื่องสถานะในอุปกรณ์ดิจิทัลทำงานไม่ถูกต้อง

กระแสสวิตชิ่งที่ไหลผ่านการติดตามแผงวงจรจะทำให้แรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง และการติดตามแผงวงจรมีการเหนี่ยวนำปรสิต สามารถใช้สูตรต่อไปนี้เพื่อคำนวณการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า: V = LdI/dt ในหมู่พวกเขา: V = การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า, L = ตัวเหนี่ยวนำการติดตามแผงวงจร, dI = การเปลี่ยนแปลงกระแสผ่านการติดตาม, dt = เวลาที่เปลี่ยนแปลงปัจจุบัน
　　
ดังนั้นด้วยเหตุผลหลายประการ ควรใช้ตัวเก็บประจุบายพาส (หรือแยกส่วน) ที่แหล่งจ่ายไฟหรือที่หมุดแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่

สายไฟและสายดินควรต่อเข้าด้วยกัน

ตำแหน่งของสายไฟและสายกราวด์ได้รับการจับคู่กันอย่างดีเพื่อลดความเป็นไปได้ของการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า หากสายไฟและสายกราวด์ไม่ตรงกัน ระบบจะออกแบบลูประบบและมีแนวโน้มที่จะสร้างเสียงรบกวน

ตัวอย่างของการออกแบบ PCB ที่สายไฟและสายกราวด์ไม่ตรงกันจะแสดงในรูปที่ 2 บนแผงวงจรนี้ พื้นที่ลูปที่ออกแบบคือ 697 ซม.² เมื่อใช้วิธีการที่แสดงในรูปที่ 3 ความเป็นไปได้ของสัญญาณรบกวนที่แผ่ออกมาหรือปิดแผงวงจรที่กระตุ้นให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในลูปจะลดลงอย่างมาก

ความแตกต่างระหว่างกลยุทธ์การเดินสายแบบอะนาล็อกและดิจิทัล

▍ระนาบกราวด์มีปัญหา

ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการเดินสายไฟของแผงวงจรใช้ได้กับทั้งวงจรแอนะล็อกและดิจิทัล กฎพื้นฐานคือการใช้ระนาบกราวด์อย่างต่อเนื่อง สามัญสำนึกนี้ช่วยลดผลกระทบ dI/dt (การเปลี่ยนแปลงของกระแสตามเวลา) ในวงจรดิจิตอล ซึ่งจะทำให้ศักย์ไฟฟ้าของกราวด์เปลี่ยนแปลงและทำให้เกิดสัญญาณรบกวนเข้าสู่วงจรแอนะล็อก

เทคนิคการเดินสายสำหรับวงจรดิจิทัลและแอนะล็อกโดยพื้นฐานจะเหมือนกัน แต่มีข้อยกเว้นประการหนึ่ง สำหรับวงจรแอนะล็อก มีอีกประเด็นที่ควรทราบ นั่นคือ ให้สายสัญญาณดิจิทัลและลูปอยู่ในระนาบกราวด์ให้ห่างจากวงจรแอนะล็อกมากที่สุด ซึ่งสามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อระนาบกราวด์แอนะล็อกเข้ากับการเชื่อมต่อกราวด์ของระบบแยกกัน หรือวางวงจรแอนะล็อกไว้ที่ปลายสุดของแผงวงจรซึ่งเป็นปลายสาย สิ่งนี้ทำเพื่อรักษาการรบกวนจากภายนอกบนเส้นทางสัญญาณให้น้อยที่สุด

ไม่จำเป็นต้องทำเช่นนี้กับวงจรดิจิทัล ซึ่งสามารถทนต่อสัญญาณรบกวนจำนวนมากบนระนาบกราวด์ได้โดยไม่มีปัญหา

รูปที่ 4 (ซ้าย) แยกการดำเนินการสวิตชิ่งดิจิทัลออกจากวงจรแอนะล็อก และแยกส่วนดิจิทัลและแอนะล็อกของวงจร (ขวา) ควรแยกความถี่สูงและความถี่ต่ำออกให้มากที่สุด และส่วนประกอบความถี่สูงควรอยู่ใกล้กับขั้วต่อแผงวงจร

รูปที่ 5 เค้าโครงสองรอยปิดบน PCB มันง่ายที่จะสร้างความจุของปรสิต เนื่องจากการมีอยู่ของความจุชนิดนี้ การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างรวดเร็วบนร่องรอยหนึ่งจึงสามารถสร้างสัญญาณกระแสบนร่องรอยอื่นได้

รูปที่ 6 หากคุณไม่ใส่ใจกับตำแหน่งของร่องรอย ร่องรอยใน PCB อาจทำให้เกิดการเหนี่ยวนำเส้นและการเหนี่ยวนำร่วมกัน การเหนี่ยวนำปรสิตนี้เป็นอันตรายต่อการทำงานของวงจรรวมถึงวงจรสวิตชิ่งดิจิทัลอย่างมาก

▍ตำแหน่งของส่วนประกอบ

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น ในการออกแบบ PCB แต่ละรายการ ควรแยกส่วนเสียงของวงจรและส่วน "เงียบ" (ส่วนที่ไม่มีเสียงรบกวน) ออก โดยทั่วไปแล้ว วงจรดิจิทัลจะมีสัญญาณรบกวน "มาก" และไม่ไวต่อสัญญาณรบกวน (เนื่องจากวงจรดิจิทัลมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า) ในทางตรงกันข้ามความทนทานต่อสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าของวงจรแอนะล็อกนั้นน้อยกว่ามาก

ในทั้งสองวงจรนี้ วงจรแอนะล็อกมีความไวต่อการเปลี่ยนสัญญาณรบกวนมากที่สุด ในการเดินสายของระบบสัญญาณผสม ควรแยกวงจรทั้งสองนี้ออกจากกัน ดังแสดงในรูปที่ 4
　　
▍ส่วนประกอบปรสิตที่เกิดจากการออกแบบ PCB

องค์ประกอบกาฝากพื้นฐานสองประการที่อาจทำให้เกิดปัญหาเกิดขึ้นได้ง่ายในการออกแบบ PCB: ความจุของกาฝากและการเหนี่ยวนำของกาฝาก

เมื่อออกแบบแผงวงจร การวางร่องรอยสองอันไว้ใกล้กันจะทำให้เกิดความจุของปรสิต คุณสามารถทำได้: บนสองชั้นที่แตกต่างกัน ให้วางร่องรอยหนึ่งไว้ด้านบนของอีกร่องรอย หรือบนเลเยอร์เดียวกัน ให้วางการติดตามหนึ่งไว้ถัดจากการติดตามอื่น ดังแสดงในรูปที่ 5
　　
ในการกำหนดค่าการติดตามทั้งสองนี้ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าเมื่อเวลาผ่านไป (dV/dt) บนการติดตามหนึ่งอาจทำให้เกิดกระแสบนการติดตามอีกรายการหนึ่ง หากร่องรอยอื่นมีอิมพีแดนซ์สูง กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากสนามไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า
　　
ภาวะชั่วครู่ของแรงดันไฟฟ้าเร็วส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นที่ด้านดิจิทัลของการออกแบบสัญญาณอะนาล็อก หากร่องรอยที่มีแรงดันไฟชั่วครู่เร็วอยู่ใกล้กับร่องรอยแอนะล็อกอิมพีแดนซ์สูง ข้อผิดพลาดนี้จะส่งผลร้ายแรงต่อความแม่นยำของวงจรแอนะล็อก ในสภาพแวดล้อมนี้ วงจรแอนะล็อกมีข้อเสียสองประการ: ความทนทานต่อสัญญาณรบกวนต่ำกว่าวงจรดิจิทัลมาก และการติดตามความต้านทานสูงนั้นพบได้บ่อยกว่า
　　
การใช้หนึ่งในสองเทคนิคต่อไปนี้สามารถลดปรากฏการณ์นี้ได้ เทคนิคที่ใช้กันมากที่สุดคือการเปลี่ยนขนาดระหว่างร่องรอยตามสมการความจุ ขนาดที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการเปลี่ยนแปลงคือระยะห่างระหว่างรอยเส้นทั้งสอง ควรสังเกตว่าตัวแปร d อยู่ในตัวส่วนของสมการความจุ เมื่อ d เพิ่มขึ้น ปฏิกิริยารีแอกแตนซ์จะลดลง ตัวแปรอื่นที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้คือความยาวของการติดตามทั้งสอง ในกรณีนี้ ความยาว L จะลดลง และรีแอกแตนซ์เชิงความจุระหว่างร่องรอยทั้งสองก็จะลดลงเช่นกัน
　　
อีกเทคนิคหนึ่งคือการวางสายกราวด์ระหว่างรอยทั้งสองนี้ สายกราวด์มีความต้านทานต่ำ และการเพิ่มร่องรอยเช่นนี้จะทำให้สนามไฟฟ้ารบกวนอ่อนลง ดังแสดงในรูปที่ 5
　　
หลักการของการเหนี่ยวนำปรสิตในแผงวงจรนั้นคล้ายคลึงกับหลักการของการเหนี่ยวนำปรสิต นอกจากนี้ยังเป็นการวางร่องรอยสองประการ บนสองชั้นที่แตกต่างกัน ให้วางร่องรอยหนึ่งไว้ด้านบนของอีกร่องรอย หรือบนเลเยอร์เดียวกัน ให้วางร่องรอยหนึ่งไว้ติดกัน ดังแสดงในรูปที่ 6

ในการกำหนดค่าการเดินสายทั้งสองนี้ การเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน (dI/dt) ของการติดตามตามเวลา เนื่องจากการเหนี่ยวนำของการติดตามนี้จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าบนการติดตามเดียวกัน และเนื่องจากการมีอยู่ของการเหนี่ยวนำร่วมกัน มันจะสร้างกระแสตามสัดส่วนที่ร่องรอยอื่น หากการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าบนการติดตามครั้งแรกมีขนาดใหญ่เพียงพอ การรบกวนอาจลดความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าของวงจรดิจิตอลและทำให้เกิดข้อผิดพลาด ปรากฏการณ์นี้ไม่เพียงเกิดขึ้นในวงจรดิจิทัลเท่านั้น แต่ปรากฏการณ์นี้พบได้ทั่วไปในวงจรดิจิทัลเนื่องจากมีกระแสสวิตชิ่งขนาดใหญ่ในวงจรดิจิทัลในทันที
　　
เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นจากแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า วิธีที่ดีที่สุดคือแยกสายอะนาล็อก "เงียบ" ออกจากพอร์ต I/O ที่มีสัญญาณรบกวน เพื่อพยายามให้ได้เครือข่ายกำลังไฟฟ้าและกราวด์ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ ควรลดการเหนี่ยวนำของสายไฟวงจรดิจิทัลให้เหลือน้อยที่สุด และควรลดการคัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟของวงจรแอนะล็อกให้เหลือน้อยที่สุด
　　
03

บทสรุป

หลังจากกำหนดช่วงดิจิตอลและอนาล็อกแล้ว การกำหนดเส้นทางอย่างระมัดระวังถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับ PCB ที่ประสบความสำเร็จ โดยทั่วไปแล้วกลยุทธ์การเดินสายจะถูกนำมาใช้กับทุกคนเป็นหลัก เนื่องจากเป็นการยากที่จะทดสอบความสำเร็จสูงสุดของผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ ดังนั้นแม้จะมีความคล้ายคลึงกันในกลยุทธ์การเดินสายของวงจรดิจิทัลและอนาล็อก แต่ความแตกต่างในกลยุทธ์การเดินสายจะต้องได้รับการยอมรับและดำเนินการอย่างจริงจัง