Разница между аналоговыми и цифровыми схемами при проектировании печатных плат

Разница между аналоговыми и цифровыми схемами в конструкции печатной платы

Число цифровых дизайнеров и экспертов по проектированию цифровых плат в области машиностроения постоянно увеличивается, что отражает тенденцию развития отрасли.Хотя акцент на цифровом проектировании привел к значительному развитию электронных продуктов, все еще существуют и будут существовать некоторые схемотехнические конструкции, которые взаимодействуют с аналоговыми или реальными средами.Стратегии подключения в аналоговой и цифровой областях имеют некоторое сходство, но для достижения лучших результатов простая схема подключения больше не является оптимальным решением из-за различий в стратегиях подключения.

В этой статье обсуждаются основные сходства и различия между аналоговой и цифровой проводкой с точки зрения развязывающих конденсаторов, источника питания, конструкции заземляющего провода, ошибок напряжения и электромагнитных помех (ЭМП), вызванных проводкой печатной платы.

01 Сходства между стратегиями аналоговых и цифровых кабельных систем

Байпасный или развязывающий конденсатор

При подключении как аналоговых, так и цифровых устройств требуются конденсаторы этого типа, которые необходимо подключить к конденсатору рядом с его выводом питания.Это значение емкости обычно составляет 0,1 мкФ.На стороне источника питания системы требуется конденсатор другого типа, обычно емкостью примерно 10 мкФ.

Расположение этих конденсаторов показано на рисунке 1. Диапазон емкости составляет от 1/10 до 10 раз рекомендуемого значения.Но выводы должны быть короткими и как можно ближе к устройству (для конденсаторов 0,1мкФ) или источнику питания (для конденсаторов 10мкФ).

Добавление развязывающих или развязывающих конденсаторов на печатной плате, а также расположение этих конденсаторов на плате является общеизвестным явлением как для цифровых, так и для аналоговых проектов.Но что интересно, причины разные.

При проектировании аналоговых проводов байпасные конденсаторы обычно используются для высокочастотных сигналов на байпасном источнике питания.Если байпасные конденсаторы не добавлены, эти высокочастотные сигналы могут попасть на чувствительные аналоговые микросхемы через контакты источника питания.Вообще говоря, частота этих высокочастотных сигналов превышает возможности симулятора по подавлению высокочастотных сигналов.Если в аналоговых схемах не используются развязывающие конденсаторы, в тракте сигнала может появиться шум, а в более серьезных случаях это может даже вызвать вибрацию.

При проектировании аналоговых и цифровых печатных плат развязывающие или развязывающие конденсаторы (0,1 мкФ) следует размещать как можно ближе к устройству.Развязывающий конденсатор (10 мкФ) источника питания должен быть установлен на входе линии питания печатной платы.Во всех случаях выводы этих конденсаторов должны быть относительно короткими.

На плате, показанной на рис. 2, для прокладки проводов питания и заземления используются разные маршруты.Из-за этой неподходящей комбинации электронные компоненты и схемы на плате с большей вероятностью будут подвергаться воздействию электромагнитных помех.

На рисунке 3 на этой единственной панели провода питания и заземления устройств на плате расположены близко друг к другу.Соотношение силовых и заземляющих проводов на этой плате соответствует рисунку 2. Вероятность воздействия электромагнитных помех (ЭМП) на электронные компоненты и схемы на плате снижается в 679/12,8 раза или примерно в 54 раза.

Для цифровых устройств, таких как контроллеры и процессоры, также требуются развязывающие конденсаторы, но причины другие.Одна из функций этих конденсаторов — служить «миниатюрным» аккумулятором заряда.

В цифровых схемах переключение состояний затвора обычно требует значительного тока.Из-за переходного тока, генерируемого на кристалле во время переключения и протекающего через печатную плату, выгодно иметь дополнительные «резервные» заряды.Если во время действия переключателя заряда будет недостаточно, это приведет к значительному изменению напряжения питания.Если напряжение изменится слишком сильно, это может привести к тому, что уровень цифрового сигнала перейдет в неопределенное состояние, и это может привести к неправильной работе конечного автомата в цифровом устройстве.

Ток переключателя, протекающий через проводку печатной платы, вызовет изменение напряжения, и в проводке печатной платы возникает паразитная индуктивность.Изменение напряжения можно рассчитать по следующей формуле: V=LdI/dt.Среди них: V = изменение напряжения, L = полное сопротивление проводки печатной платы, dI = изменение тока, протекающего через проводку, dt = время изменения тока.

Поэтому по разным причинам рекомендуется применять развязывающие (или развязывающие) конденсаторы на выводах питания или выводах питания активных устройств.

Шнур питания и провод заземления следует прокладывать вместе.

Хорошая координация между силовыми и заземляющими проводами может снизить вероятность электромагнитных помех.Если шнур питания и провод заземления не согласованы должным образом, в системе образуется контур, который может создавать помехи.

Пример конструкции печатной платы с неправильным согласованием проводов питания и заземления показан на рисунке 2. На этой плате расчетная площадь шлейфа составляет 697см. ⊃2;.Используя метод, показанный на рисунке 3, можно значительно снизить вероятность возникновения шума на печатной плате или за ее пределами, вызывающего напряжение в контуре.

02 Различия в стратегиях подключения между аналоговыми и цифровыми доменами

Уровень земли – это вызов

Базовые знания о подключении печатных плат применимы как к аналоговым, так и к цифровым схемам.Основное эмпирическое правило — использовать непрерывную заземляющую пластину, которая уменьшает эффект dI/dt (ток с течением времени) в цифровых схемах, который изменяет потенциал земли и вызывает попадание шума в аналоговые схемы.

Методы подключения цифровых и аналоговых схем в основном одинаковы, за одним исключением.Для аналоговых схем еще один момент, на который следует обратить внимание, — линия цифрового сигнала и контур заземления должны находиться как можно дальше от аналоговой схемы.Этого можно добиться, подключив аналоговую заземляющую пластину отдельно к концу подключения заземления системы или разместив аналоговую цепь на самом дальнем конце печатной платы, который является концом цепи.Это сделано для минимизации внешних помех на пути прохождения сигнала.

Для цифровых схем в этом нет необходимости.Цифровые схемы могут без проблем переносить большое количество шума на земле.

Рисунок 4 (слева) изолирует действие цифрового переключателя от аналоговой схемы, разделяя цифровую и аналоговую части схемы.(Справа) Постарайтесь максимально разделить высокие и низкие частоты, а высокочастотные компоненты должны быть расположены близко к разъемам на плате.

На рисунке 5 показаны два соседних провода на печатной плате, которые легко могут образовывать паразитную емкость.Благодаря наличию этого конденсатора быстрые изменения напряжения на одной линии могут генерировать сигналы тока на другой линии.

Если к размещению проводов на рисунке 6 не отнестись серьезно, проводка на печатной плате может создавать линейную индуктивность и взаимную индуктивность.Эта паразитная индуктивность очень вредна для работы цепей, содержащих цифровые коммутационные схемы.

Расположение компонентов

Как упоминалось выше, в каждой конструкции печатной платы шумовая часть и «тихая» часть (нешумовая часть) схемы должны быть разделены.Вообще говоря, цифровые схемы богаты шумом и не чувствительны к шуму (поскольку цифровые схемы имеют большую устойчивость к шуму по напряжению);Напротив, устойчивость к шуму по напряжению аналоговых схем намного меньше.

Среди этих двух аналоговые схемы наиболее чувствительны к коммутационному шуму.При подключении систем смешанных сигналов эти два типа цепей необходимо разделить, как показано на рисунке 4.

Паразитные компоненты, созданные при проектировании печатной платы

Легко сформировать два основных паразитных компонента, которые могут вызвать проблемы при проектировании печатной платы: паразитную емкость и паразитную индуктивность.

При проектировании печатной платы размещение двух проводов близко друг к другу приведет к возникновению паразитной емкости.Вы можете сделать это: разместить одну линию трассировки над другой на разных слоях;Альтернативно, на том же слое разместите одну линию маршрутизации рядом с другой линией маршрутизации, как показано на рисунке 5.

В этих двух конфигурациях проводки изменение напряжения во времени (dV/dt) на одной проводке может генерировать ток на другой проводке.Если другая линия имеет высокий импеданс, ток, генерируемый электрическим полем, преобразуется в напряжение.

Быстрые переходные процессы напряжения чаще всего возникают на цифровой стороне аналогового сигнала.Если в проводке рядом с аналоговой проводкой с высоким импедансом происходит быстрый переходный процесс, эта ошибка серьезно повлияет на точность аналоговой схемы.В этой среде аналоговые схемы имеют два недостатка: их устойчивость к помехам намного ниже, чем у цифровых схем;Высокоомная проводка встречается довольно часто.

Использование одного из следующих двух методов может уменьшить это явление.Наиболее часто используемый метод — изменение размера между проводами на основе уравнения емкости.Наиболее эффективный размер для изменения — это расстояние между двумя линиями маршрутизации.Следует отметить, что переменная d в знаменателе уравнения емкости будет уменьшаться с увеличением d.Другая переменная, которую можно изменить, — это длина двух проводов.В этом случае с уменьшением длины L будет уменьшаться и емкость между двумя проводами.

Другой метод — проложить заземляющий провод между этими двумя проводами.Заземляющий провод имеет низкий импеданс, и добавление такого еще одного провода ослабит мешающее электрическое поле, как показано на рисунке 5.

Принцип паразитной индуктивности в платах аналогичен принципу формирования паразитной емкости.Также заключается в прокладке двух проводов, располагая один провод над другим на разных слоях;Альтернативно, на том же слое разместите одну линию трассировки рядом с другой, как показано на рисунке 6.

В этих двух конфигурациях проводки изменение тока во времени (dI/dt) в одной проводке будет генерировать напряжение в той же самой проводке из-за индуктивности этой проводки;А за счет наличия взаимной индуктивности на другой трассировочной линии будет генерироваться пропорциональный ток.Если изменение напряжения на первой линии достаточно значительное, помехи могут снизить допуск по напряжению цифровой схемы и вызвать ошибки.Это явление встречается не только в цифровых схемах, оно более распространено в цифровых схемах, поскольку в цифровых схемах существует большой мгновенный ток переключения.

Чтобы устранить потенциальный шум от источников электромагнитных помех, лучше всего отделить тихие аналоговые схемы от шумных портов ввода-вывода.Чтобы добиться низкого импеданса силовой и заземляющей сети, следует приложить усилия к минимизации индуктивности проводов цифровых схем и минимизации емкостной связи аналоговых схем.

03 Заключение

После определения цифрового и аналогового диапазона тщательное подключение имеет решающее значение для создания успешной печатной платы.Стратегии прокладки кабелей обычно представляются в качестве эмпирических рекомендаций, поскольку трудно проверить окончательный успех продукта в лабораторных условиях.Поэтому, несмотря на сходство в стратегиях подключения цифровых и аналоговых схем, все же важно признать и серьезно отнестись к различиям в их стратегиях подключения.