ในการออกแบบ PCB ทำไมความแตกต่างระหว่างวงจรอะนาล็อกและวงจรดิจิตอลจึงมีขนาดใหญ่มาก?

จำนวนนักออกแบบดิจิตอลและผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบแผงวงจรดิจิตอลในสาขาวิศวกรรมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งสะท้อนถึงแนวโน้มการพัฒนาของอุตสาหกรรม แม้ว่าการเน้นการออกแบบดิจิทัลได้นำมาซึ่งการพัฒนาที่สำคัญในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็ยังคงมีอยู่และจะมีการออกแบบวงจรบางอย่างที่เชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมแบบอะนาล็อกหรือจริง กลยุทธ์การเดินสายในเขตข้อมูลแบบอะนาล็อกและดิจิตอลมีความคล้ายคลึงกันบางอย่าง แต่เมื่อคุณต้องการให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นเนื่องจากกลยุทธ์การเดินสายที่แตกต่างกันการออกแบบการเดินสายวงจรง่าย ๆ ไม่ใช่ทางออกที่ดีที่สุดอีกต่อไป

บทความนี้กล่าวถึงความคล้ายคลึงกันพื้นฐานและความแตกต่างระหว่างการเดินสายแบบอะนาล็อกและดิจิตอลในแง่ของตัวเก็บประจุบายพาสแหล่งจ่ายไฟการออกแบบพื้นดินข้อผิดพลาดของแรงดันไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่เกิดจากการเดินสาย PCB

การเพิ่มบายพาสหรือตัวเก็บประจุ decoupling บนแผงวงจรและที่ตั้งของตัวเก็บประจุเหล่านี้บนกระดานเป็นสามัญสำนึกสำหรับการออกแบบดิจิตอลและแบบอะนาล็อก แต่ที่น่าสนใจคือเหตุผลที่แตกต่างกัน

ในการออกแบบการเดินสายแบบอะนาล็อกตัวเก็บประจุบายพาสมักจะใช้เพื่อข้ามสัญญาณความถี่สูงบนแหล่งจ่ายไฟ หากไม่ได้เพิ่มตัวเก็บประจุบายพาสสัญญาณความถี่สูงเหล่านี้อาจเข้าสู่ชิปอะนาล็อกที่ละเอียดอ่อนผ่านหมุดจ่ายไฟ โดยทั่วไปแล้วความถี่ของสัญญาณความถี่สูงเหล่านี้เกินความสามารถของอุปกรณ์อะนาล็อกในการยับยั้งสัญญาณความถี่สูง หากตัวเก็บประจุบายพาสไม่ได้ใช้ในวงจรอะนาล็อกอาจมีการแนะนำเสียงรบกวนในเส้นทางสัญญาณและในกรณีที่ร้ายแรงกว่านั้นอาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือน

ในการออกแบบ PCB แบบอะนาล็อกและดิจิตอลควรบายพาสหรือตัวเก็บประจุ decoupling (0.1UF) ใกล้กับอุปกรณ์มากที่สุด ควรวางตัวเก็บประจุ decoupling แหล่งจ่ายไฟ (10UF) ที่ทางเข้าสายไฟของแผงวงจร ในทุกกรณีพินของตัวเก็บประจุเหล่านี้ควรจะสั้น

บนแผงวงจรในรูปที่ 2 เส้นทางที่แตกต่างกันจะใช้ในการกำหนดเส้นทางพลังงานและสายไฟ เนื่องจากความร่วมมือที่ไม่เหมาะสมนี้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และวงจรบนแผงวงจรมีแนวโน้มที่จะได้รับการรบกวนจากแม่เหล็กไฟฟ้า

ในแผงเดียวของรูปที่ 3 ไฟและสายพื้นไปยังส่วนประกอบบนแผงวงจรอยู่ใกล้กัน อัตราส่วนการจับคู่ของสายไฟและเส้นกราวด์ในแผงวงจรนี้มีความเหมาะสมดังแสดงในรูปที่ 2 ความน่าจะเป็นของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และวงจรในแผงวงจรที่อยู่ภายใต้การรบกวนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ลดลง 679/12.8 เท่าหรือประมาณ 54 เท่า
　　
สำหรับอุปกรณ์ดิจิตอลเช่นคอนโทรลเลอร์และโปรเซสเซอร์ต้องใช้ตัวเก็บประจุ decoupling ด้วยเช่นกัน แต่ด้วยเหตุผลที่แตกต่างกัน ฟังก์ชั่นหนึ่งของตัวเก็บประจุเหล่านี้คือการทำหน้าที่เป็นธนาคารเรียกเก็บเงิน“ จิ๋ว”

ในวงจรดิจิตอลมักจะต้องใช้กระแสไฟฟ้าจำนวนมากเพื่อทำการสลับสถานะเกต เนื่องจากการสลับกระแสชั่วคราวถูกสร้างขึ้นบนชิปในระหว่างการสลับและไหลผ่านแผงวงจรจึงมีประโยชน์ที่จะมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม "อะไหล่" หากมีการชาร์จไม่เพียงพอเมื่อดำเนินการสลับการดำเนินการแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟจะเปลี่ยนไปอย่างมาก การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้ามากเกินไปจะทำให้ระดับสัญญาณดิจิตอลเข้าสู่สถานะที่ไม่แน่นอนและอาจทำให้เครื่องรัฐในอุปกรณ์ดิจิตอลทำงานไม่ถูกต้อง

กระแสการสลับที่ไหลผ่านร่องรอยของแผงวงจรจะทำให้แรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนไปและร่องรอยของแผงวงจรมีการเหนี่ยวนำกาฝาก สูตรต่อไปนี้สามารถใช้ในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า: v = ldi/dt ในหมู่พวกเขา: V = การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า, l = การเหนี่ยวนำการเหนี่ยวนำของแผงวงจร, di = การเปลี่ยนแปลงปัจจุบันผ่านการติดตาม, dt = เวลาการเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน
　　
ดังนั้นด้วยเหตุผลหลายประการจึงเป็นการดีกว่าที่จะใช้ตัวเก็บประจุบายพาส (หรือ decoupling) ที่แหล่งจ่ายไฟหรือที่พินแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่

สายไฟและสายกราวด์ควรถูกกำหนดเส้นทางเข้าด้วยกัน

ตำแหน่งของสายไฟและสายกราวด์ได้รับการจับคู่อย่างดีเพื่อลดความเป็นไปได้ของการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า หากสายไฟและเส้นกราวด์ไม่ตรงกันอย่างถูกต้องลูประบบจะได้รับการออกแบบและมีแนวโน้มที่จะถูกสร้างขึ้น

ตัวอย่างของการออกแบบ PCB ที่สายไฟและเส้นกราวด์ไม่ตรงกันอย่างเหมาะสมแสดงในรูปที่ 2 บนแผงวงจรนี้พื้นที่ลูปที่ออกแบบมาคือ 697 ซม. ² การใช้วิธีการที่แสดงในรูปที่ 3 ความเป็นไปได้ของเสียงที่เปล่งออกมาเปิดหรือปิดแผงวงจรกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าในลูปสามารถลดลงได้อย่างมาก

ความแตกต่างระหว่างกลยุทธ์การเดินสายแบบอะนาล็อกและดิจิตอล

▍ระนาบพื้นเป็นปัญหา

ความรู้พื้นฐานของการเดินสายไฟวงจรใช้กับวงจรอะนาล็อกและดิจิตอล กฎพื้นฐานของหัวแม่มือคือการใช้ระนาบพื้นอย่างต่อเนื่อง สามัญสำนึกนี้จะช่วยลดผลกระทบ DI/DT (เปลี่ยนเป็นเวลาตามเวลา) ในวงจรดิจิตอลซึ่งเปลี่ยนศักยภาพของพื้นดินและทำให้เกิดเสียงรบกวนในการเข้าสู่วงจรอะนาล็อก

เทคนิคการเดินสายสำหรับวงจรดิจิตอลและอะนาล็อกนั้นเหมือนกันโดยทั่วไปยกเว้นข้อยกเว้นหนึ่งข้อ สำหรับวงจรอะนาล็อกมีอีกจุดหนึ่งที่ควรทราบนั่นคือเก็บสายสัญญาณดิจิตอลและลูปในระนาบพื้นไกลจากวงจรอะนาล็อกให้มากที่สุด สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อระนาบกราวด์แบบอะนาล็อกเข้ากับการเชื่อมต่อพื้นดินของระบบแยกกันหรือวางวงจรอะนาล็อกที่ปลายสุดของแผงวงจรซึ่งเป็นจุดสิ้นสุดของเส้น สิ่งนี้ทำเพื่อรักษาสัญญาณรบกวนภายนอกบนเส้นทางสัญญาณให้น้อยที่สุด

ไม่จำเป็นต้องทำสิ่งนี้สำหรับวงจรดิจิตอลซึ่งสามารถทนต่อเสียงรบกวนบนระนาบพื้นโดยไม่มีปัญหา

รูปที่ 4 (ซ้าย) แยกการดำเนินการสลับแบบดิจิตอลออกจากวงจรอะนาล็อกและแยกชิ้นส่วนดิจิตอลและอะนาล็อกของวงจร (ขวา) ความถี่สูงและความถี่ต่ำควรแยกออกให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และส่วนประกอบความถี่สูงควรอยู่ใกล้กับขั้วต่อแผงวงจร

รูปที่ 5 เลย์เอาต์สองร่องรอยปิดบน PCB มันง่ายต่อการสร้างความจุของกาฝาก เนื่องจากการมีอยู่ของความจุประเภทนี้การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างรวดเร็วในการติดตามหนึ่งสามารถสร้างสัญญาณปัจจุบันในร่องรอยอื่น ๆ

รูปที่ 6 หากคุณไม่ใส่ใจกับการวางร่องรอยร่องรอยใน PCB อาจสร้างการเหนี่ยวนำเส้นและการเหนี่ยวนำร่วมกัน การเหนี่ยวนำของกาฝากนี้เป็นอันตรายต่อการทำงานของวงจรรวมถึงวงจรการสลับดิจิตอล

▍ตำแหน่งองค์ประกอบ

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นในการออกแบบ PCB แต่ละครั้งควรแยกส่วนเสียงของวงจรและส่วน "เงียบ" (ส่วนที่ไม่ใช่เสียง)) โดยทั่วไปแล้ววงจรดิจิตอลนั้น“ อุดมสมบูรณ์” ในเสียงและไม่ไวต่อเสียงรบกวน (เนื่องจากวงจรดิจิตอลมีความทนทานต่อเสียงแรงดันไฟฟ้าที่ใหญ่กว่า); ในทางตรงกันข้ามความทนทานต่อเสียงของแรงดันไฟฟ้าของวงจรอะนาล็อกนั้นเล็กกว่ามาก

ในสองวงจรอะนาล็อกนั้นมีความอ่อนไหวต่อการสลับเสียงมากที่สุด ในการเดินสายของระบบผสมสัญญาณสองวงจรนี้ควรแยกออกดังแสดงในรูปที่ 4
　　
ส่วนประกอบ parasitic ที่สร้างโดยการออกแบบ PCB

องค์ประกอบกาฝากพื้นฐานสองประการที่อาจทำให้เกิดปัญหาได้ง่ายในการออกแบบ PCB: ความจุของกาฝากและการเหนี่ยวนำกาฝาก

เมื่อออกแบบแผงวงจรการวางร่องรอยสองอันใกล้กันจะสร้างความจุของกาฝาก คุณสามารถทำได้: ในสองเลเยอร์ที่แตกต่างกันวางร่องรอยหนึ่งบนของร่องรอยอื่น ๆ ; หรือในเลเยอร์เดียวกันวางร่องรอยหนึ่งถัดจากร่องรอยอื่น ๆ ดังแสดงในรูปที่ 5
　　
ในการกำหนดค่าการติดตามทั้งสองนี้การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าเมื่อเวลาผ่านไป (dv/dt) ในการติดตามหนึ่งอาจทำให้เกิดกระแสในร่องรอยอื่น ๆ หากร่องรอยอื่นเป็นอิมพีแดนซ์สูงกระแสที่สร้างโดยสนามไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า
　　
แรงดันไฟฟ้าที่รวดเร็วมักเกิดขึ้นที่ด้านดิจิตอลของการออกแบบสัญญาณอะนาล็อก หากร่องรอยที่มีแรงดันไฟฟ้าที่รวดเร็วอยู่ใกล้กับการร่องรอยอะนาล็อกที่มีความต้านทานสูงข้อผิดพลาดนี้จะส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความแม่นยำของวงจรอะนาล็อก ในสภาพแวดล้อมนี้วงจรอะนาล็อกมีข้อเสียสองประการ: การทนต่อเสียงรบกวนของพวกเขาต่ำกว่าวงจรดิจิตอลมาก และร่องรอยความต้านทานสูงเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้น
　　
การใช้หนึ่งในสองเทคนิคต่อไปนี้สามารถลดปรากฏการณ์นี้ได้ เทคนิคที่ใช้กันมากที่สุดคือการเปลี่ยนขนาดระหว่างร่องรอยตามสมการความจุ ขนาดที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการเปลี่ยนแปลงคือระยะห่างระหว่างสองร่องรอย ควรสังเกตว่าตัวแปร D อยู่ในตัวหารของสมการความจุ เมื่อ D เพิ่มขึ้นปฏิกิริยา capacitive จะลดลง ตัวแปรอื่นที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้คือความยาวของร่องรอยทั้งสอง ในกรณีนี้ความยาว L ลดลงและปฏิกิริยา capacitive ระหว่างร่องรอยทั้งสองจะลดลงเช่นกัน
　　
อีกเทคนิคหนึ่งคือการวางสายดินระหว่างร่องรอยทั้งสองนี้ สายกราวด์เป็นอิมพีแดนซ์ต่ำและเพิ่มร่องรอยอื่นเช่นนี้จะทำให้สนามไฟฟ้ารบกวนลดลงดังแสดงในรูปที่ 5
　　
หลักการของการเหนี่ยวนำกาฝากในแผงวงจรนั้นคล้ายกับความจุของกาฝาก นอกจากนี้ยังเป็นการจัดวางสองร่องรอย ในสองเลเยอร์ที่แตกต่างกันวางร่องรอยหนึ่งบนร่องรอยอื่น ๆ ; หรือในเลเยอร์เดียวกันวางร่องรอยหนึ่งถัดจากอีกอันดังแสดงในรูปที่ 6

ในการกำหนดค่าการเดินสายทั้งสองนี้การเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน (di/dt) ของการติดตามตามเวลาเนื่องจากการเหนี่ยวนำของร่องรอยนี้จะสร้างแรงดันไฟฟ้าในร่องรอยเดียวกัน และเนื่องจากการมีอยู่ของการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกันมันจะเกิดกระแสสัดส่วนในร่องรอยอื่น ๆ หากแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงในการติดตามครั้งแรกมีขนาดใหญ่พอการรบกวนอาจลดความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าของวงจรดิจิตอลและทำให้เกิดข้อผิดพลาด ปรากฏการณ์นี้ไม่เพียง แต่เกิดขึ้นในวงจรดิจิตอลเท่านั้น แต่ปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นในวงจรดิจิตอลเนื่องจากกระแสการสลับแบบทันทีในวงจรดิจิตอล
　　
เพื่อกำจัดเสียงรบกวนที่อาจเกิดขึ้นจากแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าควรแยกสายอะนาล็อก“ เงียบ” ออกจากพอร์ต I/O ที่มีเสียงดัง เพื่อพยายามที่จะบรรลุพลังความต้านทานต่ำและเครือข่ายภาคพื้นดินการเหนี่ยวนำของสายวงจรดิจิตอลควรลดลงและการมีเพศสัมพันธ์แบบ capacitive ของวงจรอะนาล็อกควรลดลง
　　
03

บทสรุป

หลังจากกำหนดช่วงดิจิตอลและอะนาล็อกการกำหนดเส้นทางอย่างระมัดระวังเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับ PCB ที่ประสบความสำเร็จ กลยุทธ์การเดินสายมักจะแนะนำให้ทุกคนเป็นกฎง่ายๆเพราะเป็นการยากที่จะทดสอบความสำเร็จสูงสุดของผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการ ดังนั้นแม้จะมีความคล้ายคลึงกันในกลยุทธ์การเดินสายของวงจรดิจิตอลและแบบอะนาล็อก แต่ความแตกต่างในกลยุทธ์การเดินสายของพวกเขาจะต้องได้รับการยอมรับและดำเนินการอย่างจริงจัง