پی سی بی کے ڈیزائن میں، اینالاگ سرکٹ اور ڈیجیٹل سرکٹ میں اتنا بڑا فرق کیوں ہے؟

انجینئرنگ کے شعبے میں ڈیجیٹل ڈیزائنرز اور ڈیجیٹل سرکٹ بورڈ ڈیزائن کے ماہرین کی تعداد میں مسلسل اضافہ ہو رہا ہے، جو صنعت کی ترقی کے رجحان کی عکاسی کرتا ہے۔اگرچہ ڈیجیٹل ڈیزائن پر زور نے الیکٹرانک مصنوعات میں بڑی پیش رفت کی ہے، لیکن یہ اب بھی موجود ہے، اور ہمیشہ کچھ سرکٹ ڈیزائن ہوں گے جو ینالاگ یا حقیقی ماحول کے ساتھ انٹرفیس کرتے ہیں۔اینالاگ اور ڈیجیٹل فیلڈز میں وائرنگ کی حکمت عملیوں میں کچھ مماثلتیں ہیں، لیکن جب آپ بہتر نتائج حاصل کرنا چاہتے ہیں، ان کی مختلف وائرنگ حکمت عملیوں کی وجہ سے، سادہ سرکٹ وائرنگ ڈیزائن اب بہترین حل نہیں ہے۔

یہ مضمون پی سی بی کی وائرنگ کی وجہ سے بائی پاس کیپسیٹرز، پاور سپلائیز، گراؤنڈ ڈیزائن، وولٹیج کی خرابیوں، اور برقی مقناطیسی مداخلت (EMI) کے لحاظ سے ینالاگ اور ڈیجیٹل وائرنگ کے درمیان بنیادی مماثلت اور فرق پر بحث کرتا ہے۔

سرکٹ بورڈ پر بائی پاس یا ڈیکپلنگ کیپسیٹرز کو شامل کرنا اور بورڈ پر ان کیپسیٹرز کا مقام ڈیجیٹل اور اینالاگ ڈیزائنز کے لیے عام فہم ہے۔لیکن دلچسپ بات یہ ہے کہ وجوہات مختلف ہیں۔

اینالاگ وائرنگ ڈیزائن میں، بائی پاس کیپسیٹرز کا استعمال عام طور پر پاور سپلائی پر ہائی فریکوئنسی سگنلز کو نظرانداز کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔اگر بائی پاس کیپسیٹرز کو شامل نہیں کیا جاتا ہے، تو یہ ہائی فریکوئنسی سگنل پاور سپلائی پن کے ذریعے حساس اینالاگ چپس میں داخل ہو سکتے ہیں۔عام طور پر، ان ہائی فریکوئنسی سگنلز کی فریکوئنسی ینالاگ ڈیوائسز کی ہائی فریکوئنسی سگنلز کو دبانے کی صلاحیت سے زیادہ ہے۔اگر ینالاگ سرکٹ میں بائی پاس کیپسیٹر استعمال نہیں کیا جاتا ہے تو، سگنل پاتھ میں شور متعارف کرایا جا سکتا ہے، اور زیادہ سنگین صورتوں میں، یہ کمپن کا سبب بھی بن سکتا ہے۔

اینالاگ اور ڈیجیٹل پی سی بی ڈیزائن میں، بائی پاس یا ڈیکپلنگ کیپسیٹرز (0.1uF) کو جتنا ممکن ہو ڈیوائس کے قریب رکھا جائے۔پاور سپلائی ڈیکپلنگ کیپسیٹر (10uF) کو سرکٹ بورڈ کے پاور لائن کے داخلی دروازے پر رکھا جانا چاہیے۔تمام صورتوں میں، ان capacitors کے پن چھوٹے ہونے چاہئیں۔

شکل 2 میں سرکٹ بورڈ پر، بجلی اور زمینی تاروں کو روٹ کرنے کے لیے مختلف راستے استعمال کیے گئے ہیں۔اس نامناسب تعاون کی وجہ سے، سرکٹ بورڈ پر الیکٹرانک اجزاء اور سرکٹس کے برقی مقناطیسی مداخلت کا زیادہ امکان ہوتا ہے۔

شکل 3 کے سنگل پینل میں، سرکٹ بورڈ کے اجزاء کی پاور اور زمینی تاریں ایک دوسرے کے قریب ہیں۔اس سرکٹ بورڈ میں پاور لائن اور گراؤنڈ لائن کا مماثل تناسب مناسب ہے جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے۔ سرکٹ بورڈ میں الیکٹرانک اجزاء اور سرکٹس کے برقی مقناطیسی مداخلت (EMI) کا شکار ہونے کا امکان 679/12.8 گنا کم ہو جاتا ہے یا تقریبا 54 بار.
　　
کنٹرولرز اور پروسیسرز جیسے ڈیجیٹل آلات کے لیے، ڈیکپلنگ کیپسیٹرز کی بھی ضرورت ہوتی ہے، لیکن مختلف وجوہات کی بناء پر۔ان کیپسیٹرز کا ایک کام "چھوٹے" چارج بینک کے طور پر کام کرنا ہے۔

ڈیجیٹل سرکٹس میں، گیٹ اسٹیٹ سوئچنگ کو انجام دینے کے لیے عام طور پر کرنٹ کی ایک بڑی مقدار درکار ہوتی ہے۔چونکہ سوئچنگ کے دوران چپ پر عارضی کرنٹ پیدا ہوتے ہیں اور سرکٹ بورڈ سے گزرتے ہیں، اس لیے اضافی "فالتو" چارجز لینا فائدہ مند ہے۔اگر سوئچنگ ایکشن کرتے وقت کافی چارج نہیں ہوتا ہے تو، پاور سپلائی وولٹیج بہت بدل جائے گا۔بہت زیادہ وولٹیج کی تبدیلی ڈیجیٹل سگنل کی سطح کو غیر یقینی حالت میں داخل کرنے کا سبب بنے گی، اور اس کی وجہ سے ڈیجیٹل ڈیوائس میں ریاستی مشین غلط طریقے سے کام کر سکتی ہے۔

سرکٹ بورڈ ٹریس کے ذریعے بہنے والا سوئچنگ کرنٹ وولٹیج کو تبدیل کرنے کا سبب بنے گا، اور سرکٹ بورڈ ٹریس میں پرجیوی انڈکٹنس ہے۔وولٹیج کی تبدیلی کا حساب لگانے کے لیے درج ذیل فارمولے کا استعمال کیا جا سکتا ہے: V = LdI/dt۔ان میں سے: V = وولٹیج کی تبدیلی، L = سرکٹ بورڈ ٹریس انڈکٹنس، dI = ٹریس کے ذریعے موجودہ تبدیلی، dt = موجودہ تبدیلی کا وقت۔
　　
لہذا، بہت سی وجوہات کی بناء پر، پاور سپلائی پر یا فعال آلات کے پاور سپلائی پنوں پر بائی پاس (یا ڈیکپلنگ) کیپسیٹرز لگانا بہتر ہے۔

بجلی کی ہڈی اور زمینی تار کو ایک ساتھ روٹ کیا جانا چاہیے۔

برقی مقناطیسی مداخلت کے امکان کو کم کرنے کے لیے بجلی کی ہڈی اور زمینی تار کی پوزیشن اچھی طرح سے مماثل ہے۔اگر پاور لائن اور گراؤنڈ لائن مناسب طریقے سے مماثل نہیں ہیں تو، ایک سسٹم لوپ ڈیزائن کیا جائے گا اور شور پیدا ہونے کا امکان ہے۔

پی سی بی ڈیزائن کی ایک مثال جہاں پاور لائن اور گراؤنڈ لائن مناسب طریقے سے مماثل نہیں ہیں تصویر 2 میں دکھایا گیا ہے۔ اس سرکٹ بورڈ پر، ڈیزائن کردہ لوپ ایریا 697cm² ہے۔شکل 3 میں دکھائے گئے طریقہ کو استعمال کرتے ہوئے، سرکٹ بورڈ پر یا اس سے باہر نکلنے والے شور کے امکان کو بہت حد تک کم کیا جا سکتا ہے۔

ینالاگ اور ڈیجیٹل وائرنگ کی حکمت عملیوں کے درمیان فرق

▍ زمینی طیارہ ایک مسئلہ ہے۔

سرکٹ بورڈ کی وائرنگ کا بنیادی علم ینالاگ اور ڈیجیٹل سرکٹس دونوں پر لاگو ہوتا ہے۔انگوٹھے کا ایک بنیادی اصول یہ ہے کہ ایک بلاتعطل زمینی ہوائی جہاز کا استعمال کیا جائے۔یہ عام فہم ڈیجیٹل سرکٹس میں dI/dt (وقت کے ساتھ کرنٹ میں تبدیلی) اثر کو کم کرتا ہے، جو زمینی صلاحیت کو تبدیل کرتا ہے اور اینالاگ سرکٹس میں شور کا سبب بنتا ہے۔

ڈیجیٹل اور اینالاگ سرکٹس کے لیے وائرنگ کی تکنیک بنیادی طور پر ایک ہی ہیں، ایک استثناء کے ساتھ۔اینالاگ سرکٹس کے لیے، ایک اور نکتہ قابل توجہ ہے، وہ یہ ہے کہ زمینی جہاز میں ڈیجیٹل سگنل لائنز اور لوپس کو ینالاگ سرکٹس سے جتنا ممکن ہو دور رکھیں۔یہ اینالاگ گراؤنڈ ہوائی جہاز کو سسٹم گراؤنڈ کنکشن سے الگ سے جوڑ کر، یا ینالاگ سرکٹ کو سرکٹ بورڈ کے انتہائی سرے پر رکھ کر حاصل کیا جا سکتا ہے، جو لائن کا آخر ہے۔یہ سگنل کے راستے پر بیرونی مداخلت کو کم سے کم رکھنے کے لیے کیا جاتا ہے۔

ڈیجیٹل سرکٹس کے لیے ایسا کرنے کی ضرورت نہیں ہے، جو بغیر کسی پریشانی کے زمینی جہاز پر بہت زیادہ شور برداشت کر سکتے ہیں۔

شکل 4 (بائیں) ڈیجیٹل سوئچنگ ایکشن کو اینالاگ سرکٹ سے الگ کرتا ہے اور سرکٹ کے ڈیجیٹل اور اینالاگ حصوں کو الگ کرتا ہے۔(دائیں) ہائی فریکوئنسی اور کم فریکوئنسی کو جتنا ممکن ہو الگ کیا جانا چاہیے، اور ہائی فریکوئنسی والے اجزاء سرکٹ بورڈ کنیکٹرز کے قریب ہونے چاہئیں۔

تصویر 5 پی سی بی پر دو قریبی نشانات لے آؤٹ، پرجیوی کیپیسیٹینس بنانا آسان ہے۔اس قسم کی گنجائش کی موجودگی کی وجہ سے، ایک ٹریس پر تیزی سے وولٹیج کی تبدیلی دوسرے ٹریس پر کرنٹ سگنل پیدا کر سکتی ہے۔

شکل 6 اگر آپ نشانات کی جگہ پر توجہ نہیں دیتے ہیں، تو PCB میں موجود نشانات لائن انڈکٹنس اور باہمی انڈکٹنس پیدا کر سکتے ہیں۔یہ طفیلی انڈکٹنس سرکٹس کے آپریشن کے لیے بہت نقصان دہ ہے جس میں ڈیجیٹل سوئچنگ سرکٹس بھی شامل ہیں۔

▍ اجزاء کا مقام

جیسا کہ اوپر بتایا گیا ہے، ہر پی سی بی ڈیزائن میں، سرکٹ کا شور والا حصہ اور "خاموش" حصہ (غیر شور والا حصہ) کو الگ کیا جانا چاہیے۔عام طور پر، ڈیجیٹل سرکٹس شور میں "امیر" ہوتے ہیں اور شور کے لیے غیر حساس ہوتے ہیں (کیونکہ ڈیجیٹل سرکٹس میں زیادہ وولٹیج شور رواداری ہوتی ہے)؛اس کے برعکس، اینالاگ سرکٹس کی وولٹیج شور رواداری بہت چھوٹی ہے۔

دونوں میں سے، اینالاگ سرکٹس سوئچنگ شور کے لیے سب سے زیادہ حساس ہیں۔مخلوط سگنل سسٹم کی وائرنگ میں، ان دونوں سرکٹس کو الگ کیا جانا چاہیے، جیسا کہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔
　　
▍پی سی بی ڈیزائن کے ذریعے تیار کردہ پرجیوی اجزاء

دو بنیادی پرجیوی عناصر جو مسائل کا سبب بن سکتے ہیں پی سی بی ڈیزائن میں آسانی سے بن جاتے ہیں: پرجیوی کیپیسیٹینس اور پرجیوی انڈکٹنس۔

سرکٹ بورڈ کو ڈیزائن کرتے وقت، دو نشانات کو ایک دوسرے کے قریب رکھنے سے طفیلی صلاحیت پیدا ہوگی۔آپ یہ کر سکتے ہیں: دو مختلف تہوں پر، ایک ٹریس دوسرے ٹریس کے اوپر رکھیں۔یا اسی پرت پر، ایک نشان کو دوسرے ٹریس کے آگے رکھیں، جیسا کہ شکل 5 میں دکھایا گیا ہے۔
　　
ان دو ٹریس کنفیگریشنز میں، ایک ٹریس پر وقت کے ساتھ وولٹیج میں تبدیلی (dV/dt) دوسرے ٹریس پر کرنٹ کا سبب بن سکتی ہے۔اگر دوسرا ٹریس زیادہ رکاوٹ ہے، تو برقی میدان سے پیدا ہونے والا کرنٹ وولٹیج میں تبدیل ہو جائے گا۔
　　
فاسٹ وولٹیج ٹرانزینٹس اکثر ینالاگ سگنل ڈیزائن کے ڈیجیٹل سائیڈ پر ہوتے ہیں۔اگر فاسٹ وولٹیج ٹرانزینٹس والے نشانات ہائی امپیڈینس اینالاگ ٹریس کے قریب ہیں، تو یہ خرابی ینالاگ سرکٹ کی درستگی کو سنجیدگی سے متاثر کرے گی۔اس ماحول میں، اینالاگ سرکٹس کے دو نقصانات ہیں: ان کا شور برداشت ڈیجیٹل سرکٹس سے بہت کم ہے۔اور اعلی رکاوٹ کے نشانات زیادہ عام ہیں۔
　　
درج ذیل دو تکنیکوں میں سے کسی ایک کا استعمال اس رجحان کو کم کر سکتا ہے۔سب سے زیادہ استعمال ہونے والی تکنیک capacitance مساوات کے مطابق نشانات کے درمیان سائز کو تبدیل کرنا ہے۔تبدیل کرنے کا سب سے مؤثر سائز دو نشانات کے درمیان فاصلہ ہے۔واضح رہے کہ متغیر d capacitance مساوات کے ڈینومینیٹر میں ہے۔جیسے جیسے d بڑھتا ہے، capacitive reactance کم ہوتا جائے گا۔ایک اور متغیر جسے تبدیل کیا جا سکتا ہے وہ ہے دو نشانات کی لمبائی۔اس صورت میں، لمبائی L کم ہو جاتی ہے، اور دو نشانات کے درمیان capacitive reactance بھی کم ہو جائے گا۔
　　
ایک اور تکنیک ان دو نشانات کے درمیان زمینی تار بچھانا ہے۔زمینی تار کم رکاوٹ ہے، اور اس طرح کا ایک اور نشان شامل کرنے سے مداخلت برقی فیلڈ کمزور ہو جائے گی، جیسا کہ شکل 5 میں دکھایا گیا ہے۔
　　
سرکٹ بورڈ میں طفیلی انڈکٹنس کا اصول پرجیوی کیپیسیٹینس کی طرح ہے۔یہ دو نشانات باہر رکھنا بھی ہے۔دو مختلف تہوں پر، ایک ٹریس دوسرے ٹریس کے اوپر رکھیں۔یا اسی پرت پر، ایک نشان کو دوسرے کے آگے رکھیں، جیسا کہ شکل 6 میں دکھایا گیا ہے۔

ان دو وائرنگ کنفیگریشنز میں، وقت کے ساتھ کسی ٹریس کی موجودہ تبدیلی (dI/dt)، اس ٹریس کے شامل ہونے کی وجہ سے، اسی ٹریس پر وولٹیج پیدا کرے گی۔اور باہمی انڈکٹنس کے وجود کی وجہ سے، یہ دوسرے ٹریس پر ایک متناسب کرنٹ پیدا ہوتا ہے۔اگر پہلے ٹریس پر وولٹیج کی تبدیلی کافی بڑی ہے تو، مداخلت ڈیجیٹل سرکٹ کی وولٹیج رواداری کو کم کر سکتی ہے اور غلطیوں کا سبب بن سکتی ہے۔یہ رجحان صرف ڈیجیٹل سرکٹس میں نہیں ہوتا ہے، بلکہ یہ رجحان ڈیجیٹل سرکٹس میں زیادہ عام ہے کیونکہ ڈیجیٹل سرکٹس میں فوری طور پر سوئچ کرنے والے بڑے کرنٹ ہیں۔
　　
برقی مقناطیسی مداخلت کے ذرائع سے ممکنہ شور کو ختم کرنے کے لیے، شور والی I/O پورٹس سے "خاموش" اینالاگ لائنوں کو الگ کرنا بہتر ہے۔کم رکاوٹ والی طاقت اور زمینی نیٹ ورک کو حاصل کرنے کی کوشش کرنے کے لیے، ڈیجیٹل سرکٹ تاروں کی انڈکٹینس کو کم سے کم کیا جانا چاہیے، اور ینالاگ سرکٹس کے کپیسیٹیو کپلنگ کو کم سے کم کیا جانا چاہیے۔
　　
03

نتیجہ

ڈیجیٹل اور اینالاگ رینجز کے تعین کے بعد، کامیاب پی سی بی کے لیے محتاط روٹنگ ضروری ہے۔وائرنگ کی حکمت عملی عام طور پر ہر ایک کو انگوٹھے کے اصول کے طور پر متعارف کرائی جاتی ہے، کیونکہ لیبارٹری کے ماحول میں مصنوعات کی حتمی کامیابی کو جانچنا مشکل ہوتا ہے۔لہذا، ڈیجیٹل اور اینالاگ سرکٹس کی وائرنگ کی حکمت عملیوں میں مماثلت کے باوجود، ان کی وائرنگ کی حکمت عملیوں میں فرق کو تسلیم کیا جانا چاہیے اور ان کو سنجیدگی سے لیا جانا چاہیے۔