Mühendislik alanında dijital tasarımcıların ve dijital devre tasarımı uzmanlarının sayısı sürekli artıyor ve bu da sektörün gelişim trendini yansıtıyor. Her ne kadar dijital tasarıma yapılan vurgu elektronik ürünlerde büyük gelişmelere yol açmış olsa da, bu vurgu hâlâ mevcuttur ve analog veya gerçek ortamlarla arayüz oluşturan bazı devre tasarımları her zaman olacaktır. Analog ve dijital alanlardaki kablolama stratejileri bazı benzerliklere sahiptir ancak daha iyi sonuçlar almak istediğinizde, farklı kablolama stratejileri nedeniyle basit devre kablolama tasarımı artık en uygun çözüm değildir.

Bu makale, bypass kapasitörleri, güç kaynakları, toprak tasarımı, voltaj hataları ve PCB kablolamanın neden olduğu elektromanyetik girişim (EMI) açısından analog ve dijital kablolama arasındaki temel benzerlikleri ve farklılıkları tartışmaktadır.

Mühendislik alanında dijital tasarımcıların ve dijital devre tasarımı uzmanlarının sayısı sürekli artıyor ve bu da sektörün gelişim trendini yansıtıyor. Her ne kadar dijital tasarıma yapılan vurgu elektronik ürünlerde büyük gelişmelere yol açmış olsa da, bu vurgu hâlâ mevcuttur ve analog veya gerçek ortamlarla arayüz oluşturan bazı devre tasarımları her zaman olacaktır. Analog ve dijital alanlardaki kablolama stratejileri bazı benzerliklere sahiptir ancak daha iyi sonuçlar almak istediğinizde, farklı kablolama stratejileri nedeniyle basit devre kablolama tasarımı artık en uygun çözüm değildir.

Bu makale, bypass kapasitörleri, güç kaynakları, toprak tasarımı, voltaj hataları ve PCB kablolamanın neden olduğu elektromanyetik girişim (EMI) açısından analog ve dijital kablolama arasındaki temel benzerlikleri ve farklılıkları tartışmaktadır.

Devre kartına bypass veya dekuplaj kapasitörlerinin eklenmesi ve bu kapasitörlerin kart üzerindeki konumu, dijital ve analog tasarımlar için sağduyulu bir yaklaşımdır. Ancak ilginçtir ki sebepler farklıdır.

Analog kablolama tasarımında, bypass kapasitörleri genellikle güç kaynağındaki yüksek frekanslı sinyalleri bypass etmek için kullanılır. Bypass kapasitörleri eklenmezse bu yüksek frekanslı sinyaller, güç kaynağı pinleri aracılığıyla hassas analog çiplere girebilir. Genel olarak konuşursak, bu yüksek frekanslı sinyallerin frekansı, analog cihazların yüksek frekanslı sinyalleri bastırma yeteneğini aşmaktadır. Analog devrede baypas kapasitörü kullanılmazsa sinyal yoluna gürültü gelebilir ve daha ciddi durumlarda titreşime bile neden olabilir.

Analog ve dijital PCB tasarımında bypass veya dekuplaj kapasitörleri (0,1 uF) cihaza mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. Güç kaynağı dekuplaj kapasitörü (10uF) devre kartının güç hattı girişine yerleştirilmelidir. Her durumda bu kapasitörlerin pinleri kısa olmalıdır.

Şekil 2'deki devre kartında, güç ve toprak kablolarını yönlendirmek için farklı yollar kullanılmaktadır. Bu uygunsuz işbirliği nedeniyle devre kartındaki elektronik bileşenlerin ve devrelerin elektromanyetik girişime maruz kalma olasılığı daha yüksektir.

Şekil 3'teki tek panelde devre kartındaki bileşenlere giden güç ve toprak kabloları birbirine yakındır. Bu devre kartındaki güç hattı ile toprak hattının eşleşme oranı Şekil 2'de gösterildiği gibi uygundur. Devre kartındaki elektronik bileşenlerin ve devrelerin elektromanyetik girişime (EMI) maruz kalma olasılığı 679/12,8 kat azalır veya yaklaşık 54 kez.
　　
Kontrolörler ve işlemciler gibi dijital cihazlar için ayırma kapasitörleri de gereklidir, ancak farklı nedenlerden dolayı. Bu kapasitörlerin bir işlevi "minyatür" bir şarj bankası görevi görmesidir.

Dijital devrelerde kapı durumu anahtarlamanın gerçekleştirilmesi için genellikle büyük miktarda akım gerekir. Anahtarlama sırasında çip üzerinde anahtarlama geçici akımları üretildiğinden ve devre kartından aktığından, ek "yedek" yüklere sahip olmak avantajlıdır. Anahtarlama işlemini gerçekleştirirken yeterli şarj yoksa güç kaynağı voltajı büyük ölçüde değişecektir. Çok fazla voltaj değişimi dijital sinyal seviyesinin belirsiz bir duruma girmesine neden olacağı gibi dijital cihazdaki durum makinesinin hatalı çalışmasına neden olabilir.

Devre kartı izinden akan anahtarlama akımı voltajın değişmesine neden olur ve devre kartı izi parazitik endüktansa sahiptir. Gerilim değişimini hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılabilir: V = LdI/dt. Bunlar arasında: V = voltaj değişimi, L = devre kartı iz endüktansı, dI = iz boyunca akım değişimi, dt = akım değişim süresi.
　　
Bu nedenle, birçok nedenden dolayı, güç kaynağına veya aktif cihazların güç kaynağı pinlerine bypass (veya dekuplaj) kapasitörleri uygulamak daha iyidir.

Güç kablosu ve topraklama kablosu birlikte yönlendirilmelidir

Güç kablosunun ve topraklama kablosunun konumu, elektromanyetik girişim olasılığını azaltmak için iyi bir şekilde eşleştirilmiştir. Güç hattı ve toprak hattı uygun şekilde eşleştirilmezse, bir sistem döngüsü tasarlanacak ve muhtemelen gürültü oluşacaktır.

Güç hattı ve toprak hattının uygun şekilde eşleşmediği bir PCB tasarımı örneği Şekil 2'de gösterilmektedir. Bu devre kartında tasarlanan döngü alanı 697cm²'dir. Şekil 3'te gösterilen yöntemi kullanarak, devre kartının üzerinde veya dışında yayılan gürültünün döngüde voltajı tetikleme olasılığı büyük ölçüde azaltılabilir.

Analog ve dijital kablolama stratejileri arasındaki fark

▍Yer düzlemi bir sorundur

Devre kartı kablolamasına ilişkin temel bilgiler hem analog hem de dijital devrelere uygulanabilir. Temel kural kesintisiz bir yer düzlemi kullanmaktır. Bu sağduyu, dijital devrelerdeki toprak potansiyelini değiştiren ve gürültünün analog devrelere girmesine neden olan dI/dt (zamanla akım değişimi) etkisini azaltır.

Dijital ve analog devreler için kablolama teknikleri bir istisna dışında temelde aynıdır. Analog devreler için dikkat edilmesi gereken bir nokta daha var, yani dijital sinyal hatlarını ve döngülerini zemin düzleminde analog devrelerden mümkün olduğu kadar uzakta tutmak. Bu, analog toprak düzleminin sistem toprak bağlantısına ayrı ayrı bağlanmasıyla veya analog devrenin hattın sonu olan devre kartının en uzak ucuna yerleştirilmesiyle sağlanabilir. Bu, sinyal yolundaki dış paraziti minimumda tutmak için yapılır.

Yer düzleminde çok fazla gürültüyü sorunsuz bir şekilde tolere edebilen dijital devreler için bunu yapmaya gerek yoktur.

Şekil 4 (solda), dijital anahtarlama eylemini analog devreden izole eder ve devrenin dijital ve analog kısımlarını ayırır. (Sağ) Yüksek frekans ve düşük frekans mümkün olduğunca ayrılmalı ve yüksek frekanslı bileşenler devre kartı konnektörlerine yakın olmalıdır.

Şekil 5 PCB üzerine iki yakın iz yerleştirin, parazitik kapasitans oluşturmak kolaydır. Bu tür bir kapasitansın varlığı nedeniyle, bir iz üzerindeki hızlı voltaj değişimi diğer iz üzerinde bir akım sinyali üretebilir.

Şekil 6 İzlerin yerleşimine dikkat edilmezse PCB'deki izler hat endüktansı ve karşılıklı endüktans üretebilir. Bu parazitik endüktans, dijital anahtarlama devreleri dahil devrelerin çalışmasına çok zararlıdır.

▍Bileşen konumu

Yukarıda da bahsettiğimiz gibi her PCB tasarımında devrenin gürültülü kısmı ile “sessiz” kısmı (gürültü olmayan kısım) ayrılmalıdır. Genel olarak konuşursak, dijital devreler gürültü açısından "zengindir" ve gürültüye karşı duyarsızdırlar (çünkü dijital devrelerin voltaj gürültü toleransı daha yüksektir); aksine analog devrelerin voltaj gürültü toleransı çok daha küçüktür.

Bu iki devre arasında analog devreler anahtarlama gürültüsüne en duyarlı olanıdır. Karışık sinyal sisteminin kablolamasında bu iki devre Şekil 4'te gösterildiği gibi ayrılmalıdır.
　　
▍PCB tasarımıyla üretilen parazit bileşenler

PCB tasarımında sorun yaratabilecek iki temel parazitik eleman kolaylıkla oluşturulabilir: parazitik kapasitans ve parazitik endüktans.

Bir devre kartı tasarlarken iki izin birbirine yakın yerleştirilmesi parazitik kapasitans oluşturacaktır. Bunu yapabilirsiniz: İki farklı katmanda, bir izi diğer izin üzerine yerleştirin; veya aynı katmanda, Şekil 5'te gösterildiği gibi bir izi diğer izin yanına yerleştirin.
　　
Bu iki iz konfigürasyonunda, zaman içinde bir izdeki voltajdaki (dV/dt) değişiklikler diğer iz üzerinde akıma neden olabilir. Diğer iz yüksek empedans ise elektrik alanın ürettiği akım gerilime dönüştürülecektir.
　　
Hızlı voltaj geçişleri çoğunlukla analog sinyal tasarımının dijital tarafında meydana gelir. Hızlı gerilim geçişlerine sahip izler yüksek empedanslı analog izlere yakınsa bu hata analog devrenin doğruluğunu ciddi şekilde etkileyecektir. Bu ortamda analog devrelerin iki dezavantajı vardır: gürültü toleransları dijital devrelere göre çok daha düşüktür; ve yüksek empedans izleri daha yaygındır.
　　
Aşağıdaki iki teknikten birinin kullanılması bu durumu azaltabilir. En sık kullanılan teknik, kapasitans denklemine göre izler arasındaki boyutu değiştirmektir. Değiştirilebilecek en etkili boyut iki iz arasındaki mesafedir. D değişkeninin kapasitans denkleminin paydasında olduğuna dikkat edilmelidir. D arttıkça kapasitif reaktans azalacaktır. Değiştirilebilecek bir diğer değişken ise iki izin uzunluğudur. Bu durumda L uzunluğu azalacağından iki iz arasındaki kapasitif reaktans da azalacaktır.
　　
Diğer bir teknik ise bu iki iz arasına topraklama kablosu döşemektir. Topraklama kablosu düşük empedanslıdır ve bunun gibi başka bir iz eklemek, Şekil 5'te gösterildiği gibi girişim elektrik alanını zayıflatacaktır.
　　
Devre kartındaki parazitik endüktansın prensibi parazitik kapasitansın prensibine benzer. Aynı zamanda iki iz bırakmaktır. İki farklı katmanda, bir izi diğer izin üzerine yerleştirin; veya aynı katman üzerinde Şekil 6'da gösterildiği gibi bir izi diğerinin yanına yerleştirin.

Bu iki kablolama konfigürasyonunda, bir izin endüktansına bağlı olarak zamanla bir izin akım değişimi (dI/dt), aynı iz üzerinde voltaj üretecektir; ve karşılıklı endüktansın varlığı nedeniyle diğer iz üzerinde orantılı bir akım üretilir. İlk izdeki voltaj değişimi yeterince büyükse, girişim dijital devrenin voltaj toleransını azaltabilir ve hatalara neden olabilir. Bu olay sadece dijital devrelerde meydana gelmez, aynı zamanda dijital devrelerdeki anlık anahtarlama akımlarının büyük olması nedeniyle bu olay dijital devrelerde daha yaygındır.
　　
Elektromanyetik girişim kaynaklarından kaynaklanan potansiyel gürültüyü ortadan kaldırmak için "sessiz" analog hatları gürültülü G/Ç bağlantı noktalarından ayırmak en iyisidir. Düşük empedanslı bir güç ve toprak ağı elde etmeye çalışmak için dijital devre kablolarının endüktansı en aza indirilmeli ve analog devrelerin kapasitif kuplajı en aza indirilmelidir.
　　
03

Çözüm

Dijital ve analog aralıklar belirlendikten sonra başarılı bir PCB için dikkatli yönlendirme şarttır. Kablolama stratejisi genellikle herkese genel bir kural olarak tanıtılır, çünkü ürünün nihai başarısını laboratuvar ortamında test etmek zordur. Bu nedenle, dijital ve analog devrelerin kablolama stratejilerindeki benzerliklere rağmen, kablolama stratejilerindeki farklılıklar tanınmalı ve ciddiye alınmalıdır.