Varför är skillnaden mellan analoga och digitala kretsar så stor inom kretskortsdesign?

Antalet digitala designers och experter på digital kretskortsdesign inom teknikområdet ökar ständigt, vilket återspeglar branschens utvecklingstrend. Även om betoningen på digital design har lett till stora framsteg inom elektroniska produkter, finns den fortfarande kvar, och det kommer alltid att finnas kretsdesigner som samverkar med analoga eller verkliga miljöer. Kopplingsstrategier inom analoga och digitala områden har vissa likheter, men när man vill få bättre resultat, på grund av deras olika kopplingsstrategier, är enkel kretsdesign inte längre den optimala lösningen.

Den här artikeln diskuterar de grundläggande likheterna och skillnaderna mellan analog och digital kabeldragning när det gäller bypasskondensatorer, strömförsörjning, jorddesign, spänningsfel och elektromagnetisk störning (EMI) orsakad av kretskortskablage.

Att lägga till bypass- eller avkopplingskondensatorer på kretskortet och placeringen av dessa kondensatorer på kortet är sunt förnuft för digitala och analoga konstruktioner. Men intressant nog är orsakerna olika.

Vid analog ledningskonstruktion används bypasskondensatorer vanligtvis för att kringgå högfrekventa signaler på strömförsörjningen. Om bypasskondensatorer inte läggs till kan dessa högfrekventa signaler komma in i känsliga analoga kretsar via strömförsörjningens pinnar. Generellt sett överstiger frekvensen hos dessa högfrekventa signaler analoga enheters förmåga att undertrycka högfrekventa signaler. Om bypasskondensatorn inte används i den analoga kretsen kan brus introduceras i signalvägen, och i mer allvarliga fall kan det till och med orsaka vibrationer.

I analog och digital kretskortsdesign bör bypass- eller avkopplingskondensatorer (0,1 uF) placeras så nära enheten som möjligt. Strömförsörjningens avkopplingskondensator (10 uF) bör placeras vid kretskortets strömledningsingång. I samtliga fall bör stiften på dessa kondensatorer vara korta.

På kretskortet i figur 2 används olika vägar för att dra ström- och jordledningarna. På grund av detta felaktiga samarbete är det mer sannolikt att de elektroniska komponenterna och kretsarna på kretskortet utsätts för elektromagnetisk störning.

I den enda panelen i figur 3 är ström- och jordledningarna till komponenterna på kretskortet nära varandra. Matchningsförhållandet mellan strömledningen och jordledningen i detta kretskort är lämpligt, vilket visas i figur 2. Sannolikheten för att elektroniska komponenter och kretsar i kretskortet utsätts för elektromagnetisk störning (EMI) minskas med 679/12,8 gånger eller cirka 54 gånger.
　　
För digitala enheter som styrenheter och processorer krävs även avkopplingskondensatorer, men av andra skäl. En funktion hos dessa kondensatorer är att fungera som en "miniatyr" laddningsbank.

I digitala kretsar krävs vanligtvis en stor mängd ström för att utföra gate-tillståndsväxling. Eftersom transienta växlingsströmmar genereras på chipet under växling och flyter genom kretskortet, är det fördelaktigt att ha ytterligare "reserv"-laddningar. Om det inte finns tillräckligt med laddning när växlingsåtgärden utförs, kommer strömförsörjningsspänningen att förändras kraftigt. För stor spänningsförändring kommer att orsaka att den digitala signalnivån går in i ett osäkert tillstånd och kan orsaka att tillståndsmaskinen i den digitala enheten fungerar felaktigt.

Omkopplingsströmmen som flyter genom kretskortsspåret kommer att orsaka att spänningen ändras, och kretskortsspåret har parasitisk induktans. Följande formel kan användas för att beräkna spänningsförändringen: V = LdI/dt. Bland dem: V = spänningsförändring, L = kretskortsspårets induktans, dI = strömförändring genom spåret, dt = strömförändringstid.
　　
Därför är det av många anledningar bättre att använda bypass- (eller avkopplings-) kondensatorer vid strömförsörjningen eller vid strömförsörjningsstiften på aktiva enheter.

Nätsladden och jordledningen ska dras tillsammans

Nätkabelns och jordledningens placering är väl avstämd för att minska risken för elektromagnetisk störning. Om strömledningen och jordledningen inte är korrekt avstämda kommer en systemslinga att utformas och brus kommer sannolikt att genereras.

Ett exempel på en kretskortsdesign där kraftledningen och jordledningen inte är korrekt matchade visas i figur 2. På detta kretskort är den designade slingans area 697 cm². Med hjälp av metoden som visas i figur 3 kan risken för att utstrålat brus på eller från kretskortet inducerar spänning i slingan minskas avsevärt.

Skillnaden mellan analoga och digitala kopplingsstrategier

▍Jordplanet är ett problem

Grundläggande kunskaper om kretskortskablage är tillämpliga på både analoga och digitala kretsar. En grundläggande tumregel är att använda ett oavbrutet jordplan. Detta sunda förnuft minskar dI/dt-effekten (förändring i ström med tiden) i digitala kretsar, vilket ändrar jordpotentialen och orsakar brus i analoga kretsar.

Kopplingsteknikerna för digitala och analoga kretsar är i princip desamma, med ett undantag. För analoga kretsar finns det ytterligare en punkt att notera, nämligen att hålla de digitala signalledningarna och slingorna i jordplanet så långt bort från de analoga kretsarna som möjligt. Detta kan uppnås genom att ansluta det analoga jordplanet till systemets jordanslutning separat, eller genom att placera den analoga kretsen längst bort på kretskortet, vilket är slutet på linjen. Detta görs för att hålla externa störningar på signalvägen till ett minimum.

Det finns inget behov av att göra detta för digitala kretsar, som utan problem kan tolerera mycket brus på jordplanet.

Figur 4 (vänster) isolerar den digitala omkopplingsfunktionen från den analoga kretsen och separerar de digitala och analoga delarna av kretsen. (Höger) Högfrekvensen och lågfrekvensen bör separeras så mycket som möjligt, och högfrekvenskomponenterna bör vara nära kretskortets kontakter.

Figur 5 Om man placerar två tätt sammanfogade spår på kretskortet är det lätt att bilda parasitisk kapacitans. På grund av förekomsten av denna typ av kapacitans kan en snabb spänningsförändring på ett spår generera en strömsignal på det andra spåret.

Figur 6 Om du inte är uppmärksam på placeringen av spåren kan spåren i kretskortet producera linjeinduktans och ömsesidig induktans. Denna parasitiska induktans är mycket skadlig för kretsars funktion, inklusive digitala kopplingskretsar.

▍Komponentplacering

Som nämnts ovan bör kretsens brusdel och den "tysta" delen (den icke-brusiga delen) separeras i varje kretskortsdesign. Generellt sett är digitala kretsar "rika" på brus och okänsliga för brus (eftersom digitala kretsar har en större spänningsbrustolerans); tvärtom är spänningsbrustoleransen hos analoga kretsar mycket mindre.

Av de två är analoga kretsar de mest känsliga för omkopplingsbrus. Vid koppling av ett blandsignalsystem bör dessa två kretsar separeras, som visas i figur 4.
　　
▍Parasitiska komponenter genererade av PCB-design

Två grundläggande parasitiska element som lätt kan orsaka problem bildas i kretskortsdesign: parasitisk kapacitans och parasitisk induktans.

När man konstruerar ett kretskort genereras parasitisk kapacitans om två spår placeras nära varandra. Du kan göra detta: Placera ett spår ovanpå det andra spåret på två olika lager; eller placera ett spår bredvid det andra spåret på samma lager, som visas i figur 5.
　　
I dessa två spårkonfigurationer kan spänningsförändringar över tid (dV/dt) på det ena spåret orsaka ström på det andra spåret. Om det andra spåret har hög impedans kommer strömmen som genereras av det elektriska fältet att omvandlas till spänning.
　　
Snabba spänningstransienter uppstår oftast på den digitala sidan av den analoga signalkonstruktionen. Om spåren med snabba spänningstransienter ligger nära högohmiga analoga spår, kommer detta fel allvarligt att påverka den analoga kretsens noggrannhet. I denna miljö har analoga kretsar två nackdelar: deras brustolerans är mycket lägre än digitala kretsars; och högohmiga spår är vanligare.
　　
Genom att använda en av följande två tekniker kan detta fenomen minskas. Den vanligaste tekniken är att ändra storleken mellan spåren enligt kapacitansformeln. Den mest effektiva storleken att ändra är avståndet mellan de två spåren. Det bör noteras att variabeln d finns i nämnaren av kapacitansformeln. När d ökar minskar den kapacitiva reaktansen. En annan variabel som kan ändras är längden på de två spåren. I detta fall minskar längden L, och den kapacitiva reaktansen mellan de två spåren minskar också.
　　
En annan teknik är att lägga en jordledning mellan dessa två spår. Jordledningen har låg impedans, och att lägga till ytterligare ett spår som detta kommer att försvaga det elektriska störfältet, som visas i figur 5.
　　
Principen för parasitisk induktans i kretskortet liknar den för parasitisk kapacitans. Det går också ut på att lägga ut två spår. Placera ett spår ovanpå det andra spåret på två olika lager; eller placera ett spår bredvid det andra på samma lager, som visas i figur 6.

I dessa två kopplingskonfigurationer kommer strömförändringen (dI/dt) för ett spår med tiden, på grund av spårets induktans, att generera spänning på samma spår; och på grund av förekomsten av ömsesidig induktans kommer den att ... En proportionell ström genereras på det andra spåret. Om spänningsförändringen på det första spåret är tillräckligt stor kan störningar minska den digitala kretsens spänningstolerans och orsaka fel. Detta fenomen förekommer inte bara i digitala kretsar, utan är vanligare i digitala kretsar på grund av de stora momentana omkopplingsströmmarna i digitala kretsar.
　　
För att eliminera potentiellt brus från elektromagnetiska störningskällor är det bäst att separera "tysta" analoga ledningar från brusiga I/O-portar. För att försöka uppnå ett lågimpedans kraft- och jordnätverk bör induktansen hos digitala kretskablar minimeras och den kapacitiva kopplingen av analoga kretsar minimeras.
　　
03

Slutsats

Efter att de digitala och analoga områdena har bestämts är noggrann routing avgörande för ett lyckat kretskort. Kopplingsstrategi introduceras vanligtvis till alla som en tumregel, eftersom det är svårt att testa produktens slutgiltiga framgång i en laboratoriemiljö. Därför, trots likheterna i kopplingsstrategierna för digitala och analoga kretsar, måste skillnaderna i deras kopplingsstrategier erkännas och tas på allvar.