Кількість цифрових дизайнерів і експертів з проектування цифрових плат у галузі інженерії постійно зростає, що відображає тенденцію розвитку галузі. Незважаючи на те, що акцент на цифровому дизайні призвів до значних розробок в електронних продуктах, він все ще існує, і завжди будуть деякі схеми, які взаємодіють з аналоговими або реальними середовищами. Стратегії з’єднання в аналоговому та цифровому полях мають певну подібність, але якщо ви хочете отримати кращі результати, через різні стратегії з’єднання проста схема з’єднання більше не є оптимальним рішенням.

У цій статті обговорюються основні подібності та відмінності між аналоговою та цифровою проводкою з точки зору байпасних конденсаторів, джерел живлення, конструкції заземлення, помилок напруги та електромагнітних перешкод (EMI), спричинених проводкою друкованої плати.

Кількість цифрових дизайнерів і експертів з проектування цифрових плат у галузі інженерії постійно зростає, що відображає тенденцію розвитку галузі. Незважаючи на те, що акцент на цифровому дизайні призвів до значних розробок в електронних продуктах, він все ще існує, і завжди будуть деякі схеми, які взаємодіють з аналоговими або реальними середовищами. Стратегії з’єднання в аналоговому та цифровому полях мають певну подібність, але якщо ви хочете отримати кращі результати, через різні стратегії з’єднання проста схема з’єднання більше не є оптимальним рішенням.

У цій статті обговорюються основні подібності та відмінності між аналоговою та цифровою проводкою з точки зору байпасних конденсаторів, джерел живлення, конструкції заземлення, помилок напруги та електромагнітних перешкод (EMI), спричинених проводкою друкованої плати.

Додавання обхідних або розв’язувальних конденсаторів на друкованій платі та розташування цих конденсаторів на платі є здоровим глуздом для цифрових і аналогових конструкцій. Але, що цікаво, причини різні.

У розробці аналогової проводки байпасні конденсатори зазвичай використовуються для обходу високочастотних сигналів джерела живлення. Якщо обхідні конденсатори не додано, ці високочастотні сигнали можуть потрапити на чутливі аналогові мікросхеми через контакти джерела живлення. Загалом, частота цих високочастотних сигналів перевищує здатність аналогових пристроїв пригнічувати високочастотні сигнали. Якщо байпасний конденсатор не використовується в аналоговій схемі, на шляху сигналу може виникнути шум, а в більш серйозних випадках це може навіть спричинити вібрацію.

У аналогових і цифрових конструкціях друкованої плати обхідні або розділові конденсатори (0,1 мкФ) слід розміщувати якомога ближче до пристрою. Конденсатор розв’язки джерела живлення (10 мкФ) слід розмістити на вході лінії живлення друкованої плати. У всіх випадках висновки цих конденсаторів повинні бути короткими.

На друкованій платі на малюнку 2 використовуються різні маршрути для прокладання проводів живлення та заземлення. Через таку неправильну співпрацю електронні компоненти та схеми на друкованій платі, швидше за все, будуть піддані електромагнітним перешкодам.

На одній панелі на малюнку 3 дроти живлення та заземлення до компонентів на друкованій платі розташовані близько один до одного. Співвідношення лінії живлення та лінії заземлення на цій друкованій платі відповідне, як показано на малюнку 2. Імовірність того, що електронні компоненти та схеми на друкованій платі зазнають електромагнітних перешкод (EMI), зменшується в 679/12,8 разів або приблизно в 54 рази.
　　
Для цифрових пристроїв, таких як контролери та процесори, також потрібні розв’язувальні конденсатори, але з інших причин. Однією з функцій цих конденсаторів є діяти як «мініатюрна» банка заряду.

У цифрових схемах для перемикання стану затвора зазвичай потрібна велика кількість струму. Оскільки комутаційні перехідні струми генеруються на мікросхемі під час комутації та протікають через друковану плату, вигідно мати додаткові «запасні» заряди. Якщо під час перемикання недостатньо заряду, напруга живлення сильно зміниться. Занадто сильна зміна напруги призведе до переходу рівня цифрового сигналу в невизначений стан і може спричинити неправильну роботу кінцевого автомата в цифровому пристрої.

Струм перемикання, що протікає через трасу друкованої плати, призведе до зміни напруги, а траса друкованої плати має паразитну індуктивність. Для розрахунку зміни напруги можна використовувати наступну формулу: V = LdI/dt. Серед них: V = зміна напруги, L = індуктивність траси друкованої плати, dI = зміна струму через трасу, dt = час зміни струму.
　　
Тому з багатьох причин краще застосовувати обхідні (або розв'язувальні) конденсатори на джерелі живлення або на висновках джерела живлення активних пристроїв.

Шнур живлення та дріт заземлення слід прокласти разом

Розташування шнура живлення та дроту заземлення добре узгоджується, щоб зменшити ймовірність електромагнітних перешкод. Якщо лінія живлення та лінія заземлення не підібрані належним чином, буде розроблено системний контур і, ймовірно, виникне шум.

Приклад конструкції друкованої плати, де лінія живлення та лінія заземлення не підібрані належним чином, показаний на малюнку 2. На цій друкованій платі розрахована площа петлі становить 697 см². Використовуючи метод, показаний на малюнку 3, можна значно зменшити ймовірність випромінюваного шуму на друкованій платі або поза нею, що викликає напругу в контурі.

Різниця між аналоговими та цифровими стратегіями підключення

▍Площина заземлення є проблемою

Базові знання про підключення друкованих плат можна застосувати як до аналогових, так і до цифрових схем. Основне правило полягає в тому, щоб використовувати безперервну площину заземлення. Цей здоровий глузд зменшує ефект dI/dt (зміна струму з часом) у цифрових схемах, який змінює потенціал заземлення та спричиняє проникнення шуму в аналогові схеми.

Технології підключення цифрових і аналогових схем в основному однакові, за одним винятком. Для аналогових схем є ще один момент, на який слід звернути увагу, тобто тримайте цифрові сигнальні лінії та петлі в площині заземлення якомога далі від аналогових схем. Цього можна досягти, підключивши аналогову площину заземлення до з’єднання заземлення системи окремо або розмістивши аналогову схему на дальньому кінці друкованої плати, який є кінцем лінії. Це робиться для того, щоб мінімізувати зовнішні перешкоди на шляху сигналу.

Немає необхідності робити це для цифрових схем, які можуть без проблем переносити багато шумів на заземленій площині.

Рисунок 4 (ліворуч) ізолює дію цифрового перемикання від аналогової схеми та розділяє цифрову та аналогову частини схеми. (Праворуч) Високочастотні та низькі частоти мають бути якомога більше розділені, а високочастотні компоненти мають бути ближче до роз’ємів друкованої плати.

Рисунок 5 Розташування двох близьких доріжок на друкованій платі, легко сформувати паразитну ємність. Завдяки наявності такого типу ємності швидка зміна напруги на одній трасі може генерувати сигнал струму на іншій трасі.

Малюнок 6 Якщо ви не звернете увагу на розташування слідів, сліди на друкованій платі можуть спричинити індуктивність лінії та взаємну індуктивність. Ця паразитна індуктивність дуже шкідлива для роботи схем, включаючи схеми цифрового перемикання.

▍Розташування компонентів

Як згадувалося вище, у кожній конструкції друкованої плати слід розділити шумову частину схеми та «тиху» частину (безшумова частина). Взагалі кажучи, цифрові схеми «багаті» на шум і нечутливі до шуму (оскільки цифрові схеми мають більший допуск до перешкод напруги); Навпаки, стійкість аналогових схем до перешкод напруги набагато менша.

З цих двох аналогові схеми найбільш чутливі до шуму перемикання. У проводці системи змішаних сигналів ці два кола повинні бути розділені, як показано на малюнку 4.
　　
▍Паразитні компоненти, створені дизайном друкованої плати

Два основні паразитні елементи, які можуть спричинити проблеми, легко утворюються в конструкції друкованої плати: паразитна ємність і паразитна індуктивність.

Під час проектування друкованої плати розміщення двох проводів близько одна до одної призведе до створення паразитної ємності. Ви можете зробити це: на двох різних шарах помістіть один контур поверх іншого; або на тому самому шарі розмістіть одну трасу поруч з іншою, як показано на малюнку 5.
　　
У цих двох конфігураціях трас зміна напруги з плином часу (dV/dt) на одній трасі може викликати струм на іншій трасі. Якщо інший слід має високий імпеданс, струм, створений електричним полем, буде перетворено в напругу.
　　
Швидкі перехідні процеси напруги найчастіше виникають на цифровій стороні конструкції аналогового сигналу. Якщо траси з швидкими перехідними процесами напруги близькі до високоімпедансних аналогових трас, ця помилка серйозно вплине на точність аналогової схеми. У цьому середовищі аналогові схеми мають два недоліки: їх шумостійкість набагато нижча, ніж у цифрових схем; і сліди з високим імпедансом є більш поширеними.
　　
Використання одного з наступних двох прийомів може зменшити це явище. Найпоширенішим прийомом є зміна розміру між слідами відповідно до рівняння ємності. Найбільш ефективним розміром для зміни є відстань між двома трасами. Слід зазначити, що змінна d знаходиться в знаменнику рівняння ємності. Зі збільшенням d ємнісний реактивний опір буде зменшуватися. Іншою змінною, яку можна змінити, є довжина двох трас. У цьому випадку довжина L зменшується, і ємнісний реактивний опір між двома слідами також зменшиться.
　　
Інший спосіб полягає в тому, щоб прокласти дріт заземлення між цими двома трасами. Дріт заземлення має низький імпеданс, і додавання ще однієї такої лінії послабить електричне поле перешкод, як показано на малюнку 5.
　　
Принцип паразитної індуктивності друкованої плати подібний до паразитної ємності. Так само викласти дві сліди. На двох різних шарах помістіть один контур поверх іншого; або на тому самому шарі розмістіть одну трасу поруч з іншою, як показано на малюнку 6.

У цих двох конфігураціях проводки зміна струму (dI/dt) траси з часом через індуктивність цієї траси створить напругу на тій самій трасі; і через існування взаємної індуктивності, це буде. Пропорційний струм генерується на іншому сліді. Якщо зміна напруги на першій трасі є достатньо великою, перешкоди можуть зменшити допуск напруги цифрової схеми та спричинити помилки. Це явище трапляється не лише в цифрових схемах, але це явище є більш поширеним у цифрових схемах через великі миттєві струми перемикання в цифрових схемах.
　　
Щоб усунути потенційний шум від джерел електромагнітних перешкод, найкраще відокремити «тихі» аналогові лінії від шумних портів введення/виведення. Щоб спробувати створити мережу живлення та заземлення з низьким опором, слід звести до мінімуму індуктивність проводів цифрових схем, а також ємнісний зв’язок аналогових схем.
　　
03

Висновок

Після того, як цифровий і аналоговий діапазони визначені, ретельна маршрутизація має важливе значення для успішної друкованої плати. Стратегія підключення зазвичай знайомиться з усіма як емпіричне правило, оскільки важко перевірити остаточний успіх продукту в лабораторних умовах. Таким чином, незважаючи на подібність стратегій підключення цифрових і аналогових схем, слід визнати відмінності в стратегіях підключення та сприймати їх серйозно.