Trong thiết kế PCB, tại sao sự khác biệt giữa mạch tương tự và mạch kỹ thuật số rất lớn?

Số lượng các nhà thiết kế kỹ thuật số và các chuyên gia thiết kế bảng mạch kỹ thuật số trong lĩnh vực kỹ thuật không ngừng tăng lên, điều này phản ánh xu hướng phát triển của ngành. Mặc dù sự nhấn mạnh vào thiết kế kỹ thuật số đã mang lại sự phát triển chính trong các sản phẩm điện tử, nhưng nó vẫn tồn tại và sẽ luôn có một số thiết kế mạch giao diện với môi trường tương tự hoặc thực tế. Các chiến lược nối dây trong các trường tương tự và kỹ thuật số có một số điểm tương đồng, nhưng khi bạn muốn có kết quả tốt hơn, vì các chiến lược hệ thống dây điện khác nhau của chúng, thiết kế hệ thống dây điện đơn giản không còn là giải pháp tối ưu.

Bài viết này thảo luận về sự tương đồng và khác biệt cơ bản giữa hệ thống dây tương tự và kỹ thuật số về các tụ điện, nguồn điện, thiết kế mặt đất, lỗi điện áp và nhiễu điện từ (EMI) do dây PCB gây ra.

Thêm các tụ điện bỏ qua hoặc tách rời trên bảng mạch và vị trí của các tụ điện này trên bảng là lẽ thường đối với các thiết kế kỹ thuật số và tương tự. Nhưng thật thú vị, lý do là khác nhau.

Trong thiết kế hệ thống dây điện tương tự, các tụ điện bỏ qua thường được sử dụng để bỏ qua các tín hiệu tần số cao trên nguồn điện. Nếu các tụ điện không được thêm vào, các tín hiệu tần số cao này có thể nhập các chip tương tự nhạy cảm thông qua các chân cung cấp năng lượng. Nói chung, tần suất của các tín hiệu tần số cao này vượt quá khả năng của các thiết bị tương tự để triệt tiêu các tín hiệu tần số cao. Nếu tụ điện không được sử dụng trong mạch tương tự, nhiễu có thể được đưa vào đường dẫn tín hiệu và trong các trường hợp nghiêm trọng hơn, nó thậm chí có thể gây ra rung động.

Trong thiết kế PCB tương tự và kỹ thuật số, các tụ điện bỏ qua hoặc tách rời (0,1UF) nên được đặt càng gần với thiết bị càng tốt. Tụ điện tách nguồn điện (10UF) nên được đặt ở lối vào đường dây điện của bảng mạch. Trong mọi trường hợp, các chân của các tụ điện này nên ngắn.

Trên bảng mạch trong Hình 2, các tuyến khác nhau được sử dụng để định tuyến dây điện và dây nối đất. Do sự hợp tác không phù hợp này, các thành phần và mạch điện tử trên bảng mạch có nhiều khả năng bị nhiễu điện từ.

Trong bảng điều khiển đơn của Hình 3, dây điện và dây nối đất cho các thành phần trên bảng mạch gần nhau. Tỷ lệ phù hợp của đường dây điện và đường nối đất trong bảng mạch này là phù hợp như trong Hình 2. Xác suất của các thành phần và mạch điện tử trong bảng mạch bị nhiễu điện từ (EMI) giảm 679/12,8 lần hoặc khoảng 54 lần.
　　
Đối với các thiết bị kỹ thuật số như bộ điều khiển và bộ xử lý, các tụ điện tách rời cũng được yêu cầu, nhưng vì những lý do khác nhau. Một chức năng của các tụ điện này là hoạt động như một ngân hàng tính phí thu nhỏ.

Trong các mạch kỹ thuật số, một lượng lớn dòng điện thường được yêu cầu để thực hiện chuyển đổi trạng thái cổng. Vì việc chuyển đổi dòng điện thoáng qua được tạo ra trên chip trong quá trình chuyển đổi và chảy qua bảng mạch, nên việc có các khoản phí dự phòng bổ sung. Nếu không có đủ điện tích khi thực hiện hành động chuyển đổi, điện áp cung cấp năng lượng sẽ thay đổi rất nhiều. Quá nhiều thay đổi điện áp sẽ khiến mức tín hiệu số vào trạng thái không chắc chắn và có thể khiến máy trạng thái trong thiết bị kỹ thuật số hoạt động không chính xác.

Dòng điện chuyển mạch chảy qua dấu vết của bảng mạch sẽ khiến điện áp thay đổi và dấu vết của bảng mạch có độ tự cảm ký sinh. Công thức sau đây có thể được sử dụng để tính toán thay đổi điện áp: V = LDI/dt. Trong số đó: V = thay đổi điện áp, L = BAN CIRTAIN DIBANCE, DI = Thay đổi dòng điện thông qua dấu vết, DT = Thời gian thay đổi hiện tại.
　　
Do đó, vì nhiều lý do, tốt hơn là áp dụng các tụ điện (hoặc tách rời) tại nguồn điện hoặc tại các chân cung cấp năng lượng của các thiết bị hoạt động.

Dây nguồn và dây mặt đất nên được định tuyến cùng nhau

Vị trí của dây nguồn và dây mặt đất rất phù hợp để giảm khả năng nhiễu điện từ. Nếu đường dây điện và đường nối đất không được khớp đúng, một vòng lặp hệ thống sẽ được thiết kế và nhiễu có thể sẽ được tạo ra.

Một ví dụ về thiết kế PCB trong đó đường dây điện và đường nối đất không được khớp đúng trong Hình 2. Trên bảng mạch này, khu vực vòng lặp được thiết kế là 697cm². Sử dụng phương pháp được hiển thị trong Hình 3, khả năng nhiễu bức xạ trên hoặc ngoài bảng mạch gây ra điện áp trong vòng lặp có thể giảm đáng kể.

Sự khác biệt giữa các chiến lược hệ thống dây điện tương tự và kỹ thuật số

▍ Máy bay mặt đất là một vấn đề

Kiến thức cơ bản của hệ thống dây điện mạch được áp dụng cho cả mạch tương tự và kỹ thuật số. Một quy tắc cơ bản của ngón tay cái là sử dụng một mặt phẳng mặt đất không bị gián đoạn. Ý thức chung này làm giảm hiệu ứng DI/DT (thay đổi dòng điện theo thời gian) trong các mạch kỹ thuật số, điều này thay đổi tiềm năng mặt đất và khiến tiếng ồn xâm nhập vào các mạch tương tự.

Các kỹ thuật nối dây cho các mạch kỹ thuật số và tương tự về cơ bản là giống nhau, với một ngoại lệ. Đối với các mạch tương tự, có một điểm khác cần lưu ý, nghĩa là giữ các đường tín hiệu số và vòng lặp trong mặt phẳng mặt đất càng xa các mạch tương tự càng tốt. Điều này có thể đạt được bằng cách kết nối mặt phẳng mặt đất tương tự với kết nối mặt đất hệ thống một cách riêng biệt hoặc đặt mạch tương tự ở đầu xa của bảng mạch, là phần cuối của đường. Điều này được thực hiện để giữ nhiễu bên ngoài trên đường dẫn tín hiệu ở mức tối thiểu.

Không cần phải làm điều này cho các mạch kỹ thuật số, có thể chịu được rất nhiều tiếng ồn trên mặt phẳng mặt đất mà không gặp vấn đề gì.

Hình 4 (bên trái) phân lập hành động chuyển đổi kỹ thuật số từ mạch analog và tách các phần kỹ thuật số và tương tự của mạch. .

Hình 5 Bố cục Hai dấu vết đóng trên PCB, thật dễ dàng để hình thành điện dung ký sinh. Do sự tồn tại của loại điện dung này, một sự thay đổi điện áp nhanh trên một dấu vết có thể tạo ra tín hiệu hiện tại trên dấu vết khác.

Hình 6 Nếu bạn không chú ý đến vị trí của các dấu vết, các dấu vết trong PCB có thể tạo ra độ tự cảm đường thẳng và độ tự cảm lẫn nhau. Độ tự cảm ký sinh này rất có hại cho hoạt động của các mạch bao gồm các mạch chuyển mạch kỹ thuật số.

Vị trí thành phần

Như đã đề cập ở trên, trong mỗi thiết kế PCB, phần nhiễu của mạch và phần yên tĩnh của người Hồi giáo (phần không nhiễu) nên được tách ra. Nói chung, các mạch kỹ thuật số là người giàu có trong tiếng ồn và không nhạy cảm với tiếng ồn (vì các mạch kỹ thuật số có dung lượng nhiễu điện áp lớn hơn); Ngược lại, dung sai nhiễu điện áp của các mạch tương tự nhỏ hơn nhiều.

Trong hai, các mạch tương tự là nhạy cảm nhất với tiếng ồn chuyển đổi. Trong hệ thống dây của một hệ thống tín hiệu hỗn hợp, hai mạch này nên được tách ra, như trong Hình 4.
　　
Các thành phần parasitic được tạo ra bởi thiết kế PCB

Hai yếu tố ký sinh cơ bản có thể gây ra các vấn đề dễ dàng được hình thành trong thiết kế PCB: điện dung ký sinh và độ tự cảm ký sinh.

Khi thiết kế một bảng mạch, việc đặt hai dấu vết gần nhau sẽ tạo ra điện dung ký sinh. Bạn có thể làm điều này: trên hai lớp khác nhau, đặt một dấu vết lên trên dấu vết khác; hoặc trên cùng một lớp, đặt một dấu vết bên cạnh dấu vết khác, như trong Hình 5.
　　
Trong hai cấu hình dấu vết này, các thay đổi về điện áp theo thời gian (DV/DT) trên một dấu vết có thể gây ra dòng điện trên dấu vết khác. Nếu dấu vết khác là trở kháng cao, dòng điện được tạo ra bởi điện trường sẽ được chuyển đổi thành điện áp.
　　
Transient điện áp nhanh thường xảy ra ở phía kỹ thuật số của thiết kế tín hiệu tương tự. Nếu các dấu vết có quá độ điện áp nhanh gần với dấu vết tương tự cao, lỗi này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của mạch tương tự. Trong môi trường này, các mạch tương tự có hai nhược điểm: khả năng chịu nhiễu của chúng thấp hơn nhiều so với các mạch kỹ thuật số; và dấu vết trở kháng cao là phổ biến hơn.
　　
Sử dụng một trong hai kỹ thuật sau đây có thể làm giảm hiện tượng này. Kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất là thay đổi kích thước giữa các dấu vết theo phương trình điện dung. Kích thước hiệu quả nhất để thay đổi là khoảng cách giữa hai dấu vết. Cần lưu ý rằng biến D nằm trong mẫu số của phương trình điện dung. Khi D tăng, phản ứng điện dung sẽ giảm. Một biến khác có thể được thay đổi là độ dài của hai dấu vết. Trong trường hợp này, chiều dài L giảm và phản ứng điện dung giữa hai dấu vết cũng sẽ giảm.
　　
Một kỹ thuật khác là đặt một dây mặt đất giữa hai dấu vết này. Dây mặt đất là trở kháng thấp và thêm một dấu vết khác như thế này sẽ làm suy yếu điện trường nhiễu, như trong Hình 5.
　　
Nguyên tắc tự cảm ký sinh trong bảng mạch tương tự như điện dung ký sinh. Nó cũng là để đặt ra hai dấu vết. Trên hai lớp khác nhau, đặt một dấu vết trên đầu của dấu vết khác; hoặc trên cùng một lớp, đặt một dấu vết bên cạnh lớp kia, như trong Hình 6.

Trong hai cấu hình dây này, sự thay đổi hiện tại (DI/DT) của một dấu vết theo thời gian, do độ tự cảm của dấu vết này, sẽ tạo ra điện áp trên cùng một dấu vết; và do sự tồn tại của độ tự cảm lẫn nhau, nó sẽ một dòng tỷ lệ được tạo ra trên dấu vết khác. Nếu thay đổi điện áp trên dấu vết đầu tiên là đủ lớn, nhiễu có thể làm giảm dung lượng điện áp của mạch kỹ thuật số và gây ra lỗi. Hiện tượng này không chỉ xảy ra trong các mạch kỹ thuật số, mà hiện tượng này phổ biến hơn trong các mạch kỹ thuật số vì các dòng chuyển đổi tức thời lớn trong các mạch kỹ thuật số.
　　
Để loại bỏ tiếng ồn tiềm năng từ các nguồn nhiễu điện từ, tốt nhất là tách các dòng tương tự yên tĩnh của Hồi giáo khỏi các cổng I/O ồn ào. Để cố gắng đạt được một mạng lưới điện trở lại thấp và mạng điện cảm của dây mạch kỹ thuật số nên được giảm thiểu và cần giảm thiểu sự kết hợp điện dung của các mạch tương tự.
　　
03

Phần kết luận

Sau khi phạm vi kỹ thuật số và tương tự được xác định, định tuyến cẩn thận là điều cần thiết cho PCB thành công. Chiến lược hệ thống dây điện thường được giới thiệu cho mọi người như một quy tắc, bởi vì rất khó để kiểm tra sự thành công cuối cùng của sản phẩm trong môi trường phòng thí nghiệm. Do đó, mặc dù có những điểm tương đồng trong các chiến lược nối dây của các mạch kỹ thuật số và tương tự, sự khác biệt trong chiến lược hệ thống dây điện của chúng phải được công nhận và thực hiện nghiêm túc.