Trong thiết kế PCB, tại sao sự khác biệt giữa mạch analog và mạch kỹ thuật số lại lớn đến vậy?

Số lượng các nhà thiết kế kỹ thuật số và 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 những phát triển lớn trong các sản phẩm điện tử, nhưng nó vẫn tồn tại và sẽ luôn có một số thiết kế mạch có giao diện với môi trường tương tự hoặc thực. Chiến lược đi dây trong lĩnh vực analog và kỹ thuật số có một số điểm tương đồng, nhưng khi bạn muốn đạt được kết quả tốt hơn, do các chiến lược đi dây khác nhau của chúng, thiết kế đi dây mạch đơn giản không còn là giải pháp tối ưu.

Bài viết này thảo luận về những điểm tương đồng và khác biệt cơ bản giữa hệ thống dây điện analog và kỹ thuật số về tụ điện rẽ nhánh, nguồn điện, thiết kế nối đất, lỗi điện áp và nhiễu điện từ (EMI) do dây PCB gây ra.

Việc thêm các tụ điện rẽ nhánh hoặc tách rời trên bảng mạch và vị trí của các tụ điện này trên bảng mạch là điều thông thường đối với các thiết kế kỹ thuật số và analog. Nhưng điều thú vị là lý do lại khác nhau.

Trong thiết kế dây analog, tụ điện bypass thường được sử dụng để bỏ qua các tín hiệu tần số cao trên nguồn điện. Nếu không thêm tụ điện, các tín hiệu tần số cao này có thể đi vào các chip analog nhạy cảm thông qua các chân cấp nguồn. Nói chung, tần số của các tín hiệu tần số cao này vượt quá khả năng triệt tiêu tín hiệu tần số cao của các thiết bị analog. Nếu tụ điện bypass không được sử dụng trong mạch analog, nhiễu có thể xuất hiện trong đường dẫn tín hiệu và trong trường hợp nghiêm trọng hơn, nó thậm chí có thể gây rung.

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

Trên bảng mạch ở Hình 2, các tuyến khác nhau được sử dụng để định tuyến dây nguồn và dây nối đất. Do sự phối hợp không đúng cách này, các linh kiện và mạch điện tử trên bảng mạch có nhiều khả năng bị nhiễu điện từ.

Trong bảng điều khiển duy nhất của Hình 3, dây nguồn và dây nối đất đến các bộ phận trên bảng mạch gần nhau. Tỷ lệ phối hợp giữa đường dây nguồn và dây nối đất trong bảng mạch này phù hợp như hình 2. Xác suất các linh kiện điện tử và mạch điện trong bảng mạch bị nhiễu điện từ (EMI) giảm đi 679/12,8 lần hoặc khoảng 54 lần.
　　
Đối với các thiết bị kỹ thuật số như bộ điều khiển và bộ xử lý, cũng cần có tụ điện tách rời, nhưng vì những lý do khác nhau. Một chức năng của những tụ điện này là hoạt động như một cục sạc “thu nhỏ”.

Trong các mạch kỹ thuật số, thường cần một lượng dòng điện lớn để thực hiện chuyển đổi trạng thái cổng. Vì dòng điện chuyển mạch nhất thời được tạo ra trên chip trong quá trình chuyển mạch và chạy qua bảng mạch, nên việc có thêm điện tích “dự phòng” sẽ có lợi hơn. Nếu không đủ điện khi thực hiện hành động chuyển mạch, điện áp nguồn sẽ thay đổi rất nhiều. Thay đổi điện áp quá nhiều sẽ khiến mức tín hiệu số chuyển sang 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 chạy qua dấu vết bảng mạch sẽ làm cho điện áp thay đổi, và dấu vết bảng mạch có điện cảm ký sinh. Có thể sử dụng công thức sau đây để tính sự thay đổi điện áp: V = LdI/dt. Trong số đó: V = sự thay đổi điện áp, L = độ tự cảm vết của bảng mạch, dI = sự thay đổi dòng điện qua vết, dt = thời gian thay đổi dòng điện.
　　
Do đó, vì nhiều lý do, tốt hơn nên sử dụng các tụ điện rẽ nhánh (hoặc tách rời) ở nguồn điện hoặc ở các chân nguồn điện của các thiết bị đang hoạt động.

Dây nguồn và dây nối đất phải được đi cùng nhau

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

Một ví dụ về thiết kế PCB trong đó đường dây nguồn và đường dây nối đất không khớp chính xác được hiển thị trong Hình 2. Trên bảng mạch này, diện tích vòng lặp được thiết kế là 697cm2. Sử dụng phương pháp thể hiện 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 chiến lược nối dây analog và kỹ thuật số

▍Mặt đất có vấn đề

Kiến thức cơ bản về nối dây bảng mạch có thể áp dụng cho cả mạch analog và mạch kỹ thuật số. Nguyên tắc cơ bản là sử dụng 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, làm thay đổi điện thế mặt đất và gây ra nhiễu đi vào các mạch tương tự.

Kỹ thuật nối dây cho mạch kỹ thuật số và mạch analog về cơ bản là giống nhau, ngoại trừ một ngoại lệ. Đối với các mạch tương tự, có một điểm khác cần lưu ý, đó là giữ các đường và vòng tín hiệu số trong mặt phẳng mặt đất càng xa các mạch tương tự càng tốt. Điều này có thể đạt được bằng cách kết nối riêng mặt phẳng mặt đất tương tự với kết nối mặt đất của hệ thống hoặc đặt mạch tương tự ở đầu xa của bảng mạch, tức là điểm cuối của đường dây. 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 đối với các mạch kỹ thuật số, mạch này có thể chịu được nhiều tiếng ồn trên mặt đất mà không gặp vấn đề gì.

Hình 4 (trái) tách biệt hoạt động chuyển mạch kỹ thuật số khỏi mạch tương tự và tách phần kỹ thuật số và phần tương tự của mạch. (Phải) Tần số cao và tần số thấp nên được tách biệt càng nhiều càng tốt, và các thành phần tần số cao phải gần với các đầu nối bảng mạch.

Hình 5 Bố trí hai dấu vết gần nhau trên PCB, rất dễ hình thành điện dung ký sinh. Do sự tồn tại của loại điện dung này, sự thay đổi điện áp nhanh trên một vạch có thể tạo ra tín hiệu dòng điện trên vạch kia.

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 dây và độ tự cảm lẫn nhau. Điện cảm ký sinh này rất có hại cho hoạt động của các mạch trong đó có mạch chuyển mạch số.

▍Vị trí thành phần

Như đã đề cập ở trên, trong mỗi thiết kế PCB, phần nhiễu của mạch và phần “yên tĩnh” (phần không nhiễu) cần được tách riêng. Nói chung, các mạch kỹ thuật số “giàu” nhiễu và không nhạy cảm với nhiễu (vì các mạch kỹ thuật số có khả năng chịu nhiễu điện áp lớn hơn); ngược lại, khả năng chịu nhiễu điện áp của mạch analog nhỏ hơn nhiều.

Trong số đó, mạch analog nhạy cảm nhất với nhiễu chuyển mạch. Trong hệ thống dây điện của hệ thống tín hiệu hỗn hợp, hai mạch này phải được tách riêng, như trong Hình 4.
　　
▍Các thành phần ký sinh được tạo ra bởi thiết kế PCB

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

Khi thiết kế 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 kia; hoặc trên cùng một lớp, đặt một dấu vết bên cạnh dấu vết khác, như trong Hình 5.
　　
Trong hai cấu hình vết này, những thay đổi về điện áp theo thời gian (dV/dt) trên một vết có thể gây ra dòng điện trên vết kia. Nếu vết còn lại có trở kháng cao thì dòng điện do điện trường tạo ra sẽ chuyển thành điện áp.
　　
Quá độ điện áp nhanh thường xảy ra nhất ở phía kỹ thuật số của thiết kế tín hiệu tương tự. Nếu các dấu vết có quá độ điện áp nhanh gần với các dấu vết tương tự có trở kháng cao thì lỗi này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của mạch tương tự. Trong môi trường này, mạch analog có hai nhược điểm: khả năng chịu nhiễu thấp hơn nhiều so với mạch kỹ thuật số; và dấu vết trở kháng cao là phổ biến hơn.
　　
Sử dụng một trong hai kỹ thuật sau 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 thì điện dung sẽ giảm. Một biến khác có thể thay đổi là độ dài của hai dấu vết. Trong trường hợp này, chiều dài L giảm và điện dung giữa hai vết cũng sẽ giảm.
　　
Một kỹ thuật khác là đặt dây nối đất giữa hai đường này. Dây nối đất có trở kháng thấp và việc thêm một dấu vết khác như thế này sẽ làm suy yếu điện trường giao thoa, như trong Hình 5.
　　
Nguyên lý của điện cảm ký sinh trong bảng mạch cũng tương tự như nguyên lý của điện dung ký sinh. Đó cũng là để bố trí hai dấu vết. Trên hai lớp khác nhau, đặt một dấu vết lên trên dấu vết kia; hoặc trên cùng một lớp, đặt một dấu vết bên cạnh dấu vết kia, như trong Hình 6.

Trong hai cấu hình nối dây này, sự thay đổi dòng điện (dI/dt) của một vết theo thời gian, do độ tự cảm của vết này, sẽ tạo ra điện áp trên cùng một vết; và do sự tồn tại của độ tự cảm lẫn nhau nên một dòng điện tỷ lệ sẽ được tạo ra trên vết kia. Nếu sự thay đổi điện áp trên dấu vết đầu tiên đủ lớn, nhiễu có thể làm giảm khả năng chịu điện áp của mạch kỹ thuật số và gây ra lỗi. Hiện tượng này không chỉ xảy ra ở các mạch số mà hiện tượng này còn phổ biến hơn ở các mạch số vì dòng điện chuyển mạch tức thời lớn trong các mạch số.
　　
Để loại bỏ tiếng ồn tiềm ẩn từ các nguồn nhiễu điện từ, tốt nhất nên tách các đường analog “yên tĩnh” khỏi các cổng I/O ồn ào. Để cố gắng đạt được mạng lưới điện và mặt đất có trở kháng thấp, độ tự cảm của dây mạch kỹ thuật số phải được giảm thiểu và khả năng ghép điện dung của các mạch tương tự phải được giảm thiểu.
　　
03

Phần kết luận

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