PCB-Neuigkeiten - Unterschiede im PCB-Design zwischen analogen und digitalen Schaltungen

Lassen Sie uns die Ähnlichkeiten zwischen PCB-Design-Routing-Strategien für analoge Schaltungen und digitale Schaltungen teilen.

1. Bypass- oder Entkopplungskondensator

Für Verdrahtung, Simulatoren und digitale Geräte sind diese Arten von Kondensatoren erforderlich, und jeder Kondensator benötigt einen Kondensator, der in der Nähe seines Stromversorgungspins angeschlossen ist. Dieser Wert ist typischerweise 0,1 Grad Fahrenheit. Die Leistungsseite eines Systems erfordert einen anderen Kondensator, typischerweise etwa 10° Fahrenheit. Der Bereich der Kapazitätswerte beträgt 1/10 bis 10-mal den empfohlenen Wert. Allerdings sollten die Pins kurz und nahe am Gerät (bei Fahrenheit-Kondensatoren 0,1 Grad) oder am Netzteil (bei Fahrenheit-Kondensatoren 10 Grad) sein. Das Hinzufügen von Bypass- oder Entkopplungskondensatoren zu einer Leiterplatte und das Platzieren dieser Kondensatoren auf der Leiterplatte sind sowohl im digitalen als auch im analogen Design gesunder Menschenverstand. Aber interessanterweise variieren die Gründe.

In analogen Verdrahtungsdesigns werden Bypass-Kondensatoren typischerweise verwendet, um Hochfrequenzsignale an Netzteilen zu umgehen. Wenn keine Bypass-Kondensatoren hinzugefügt werden, können diese Signale über Netzteil-Pins in empfindliche analoge Chips gelangen. Typischerweise übersteigt die Frequenz dieser Hochfrequenzsignale die Fähigkeit des Simulators, Hochfrequenzsignale zu unterdrücken. Werden in analogen Schaltungen keine Bypass-Kondensatoren verwendet, kann es zu Rauschen in den Signalweg kommen und im schlimmsten Fall zu Vibrationen führen.

Entkopplungskondensatoren werden auch für digitale Geräte wie Controller und Prozessoren benötigt, aber die Gründe sind unterschiedlich. Eine Funktion dieser Kondensatoren besteht darin, als "Mini"-Ladebank zu fungieren. In digitalen Schaltungen werden meist große Ströme benötigt, um Gate-Zustände zu schalten. Da Schalttransienströme auf dem Chip erzeugt werden, ist es vorteilhaft, eine zusätzliche "Standby"-Ladung zu haben, wenn dieser schaltet und durch die Leiterplatte fließt. Wird die Schaltaktion ohne ausreichende Ladung durchgeführt, variiert die Versorgungsspannung erheblich.

Wenn sich die Spannung zu stark ändert, tritt der digitale Signalpegel in einen unsicheren Zustand ein, und die Zustandsmaschine im digitalen Gerät kann falsch funktionieren. Die folgende Formel kann verwendet werden, um die Spannungsänderung zu berechnen: V=LdI/dt, wobei fünf=Spannungsänderungen auftreten; I=Verdrahtungsreaktanz der Leiterplatte; Di=Änderung des Stromflusses durch die Leitung; Tiefe ist die Zeit, in der sich die aktuelle ändert.

Daher ist es aus verschiedenen Gründen vorzuziehen, einen Bypass (oder Entkopplung) Kondensator am Stromversorgungs-Pin eines Netzteils oder aktiven Geräts anzuwenden. Strom- und Erdungskabel sollten zusammen gelegt werden, um die Möglichkeit elektromagnetischer Störungen zu verringern. Wenn Strom- und Erdungskabel nicht richtig übereinstimmen, wird eine Systemschleife entworfen, die wahrscheinlich Rauschen erzeugt. Auf dieser Leiterplatte beträgt die Schleifenfläche 697 Quadratzentimeter unter Verwendung von Abbildung 3 Bei der gezeigten Methode ist es unwahrscheinlich, dass ausgestrahltes Rauschen auf oder außerhalb der Leiterplatte Spannung in der Schaltung induziert.

Unterschiede in Routingstrategien zwischen analogen und digitalen Domänen

Die Grundprinzipien der Leiterplattenverdrahtung gelten für analoge und digitale Schaltungen. Eine grundlegende Faustregel ist, eine komplette Bodenebene zu verwenden. Dieser gesunde Menschenverstand reduziert die Auswirkungen von Datenprotokollierung/Datenübertragung (Stromschwankungen im Laufe der Zeit) in digitalen Schaltungen, die das Erdungspotenzial verändern und Rauschen in analoge Schaltungen verursachen können. Die Verdrahtungstechnik für digitale und analoge Schaltungen ist grundsätzlich gleich, mit nur geringem Unterschied. Bei analogen Schaltungen ist es wichtig, die Schleife in der digitalen Signalleitung und Masseebene so weit wie möglich von der analogen Schaltung entfernt zu halten. Dies kann erreicht werden, indem die analoge Masseebene einzeln mit dem Systemerdanschluss verbunden wird, oder indem die analoge Schaltung am entferntesten Ende der Leiterplatte, also am Ende der Leitung, platziert wird. Dies wird getan, um den Signalweg auf ein Minimum an externen Störungen zu halten. Dies ist für digitale Schaltungen unnötig, die eine große Menge an Rauschen in der Erdungsebene problemlos vertragen können.

Wie oben erwähnt, ist in jedem PCB-Design der Rauschbereich der Schaltung vom "ruhigen" (nicht rauschenden) Abschnitt getrennt. Im Allgemeinen sind digitale Schaltungen "reich" an Rauschen und unempfindlich gegenüber Rauschen (weil digitale Schaltungen eine große Spannungsrauschtoleranz haben); Analoge Schaltungen weisen dagegen eine deutlich geringere Spannungsrauschtoleranz auf. Von den beiden sind analoge Schaltkreise am empfindlichsten gegenüber Schaltrauschen. Bei der Verdrahtung eines Mischsignalsystems sind die beiden Schaltkreise getrennt.

Analogschaltung

2. Parasitische Komponenten, die durch PCB-Design erzeugt werden

Es gibt zwei grundlegende parasitäre Komponenten, die leicht Probleme beim PCB-Design verursachen können: parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität. Wenn Sie eine Leiterplatte entwerfen, kann das Platzieren von zwei Drähten nahe beieinander parasitäre Kapazität erzeugen. Dies kann erreicht werden, indem eine Linie auf einer anderen Linie auf zwei verschiedenen Etagen platziert wird, oder indem eine Linie neben einer anderen Linie auf derselben Etage platziert wird. In beiden Verdrahtungskonfigurationen kann die Änderung der Spannung über die Zeit (dV/dt) an einem Kabel einen Strom auf dem anderen Kabel erzeugen. Wenn die andere Leitung eine hochohmige Leitung ist, wird der durch das elektrische Feld erzeugte Strom in Spannung umgewandelt. Schnelle Spannungstransienten treten am häufigsten auf der digitalen Seite des analogen Signaldesigns auf. Wenn ein schneller Spannungstransient in der Nähe einer hochohmigen analogen Schaltung auftritt, wird dieser Fehler die Genauigkeit der analogen Schaltung ernsthaft beeinträchtigen.

Analoge Schaltungen haben in dieser Umgebung zwei Nachteile: Ihre Rauschtoleranz ist viel geringer als die von digitalen Schaltungen; Hochohmige Verdrahtung ist üblich. Dies kann durch den Einsatz einer von zwei Technologien reduziert werden. Die gängigste Technologie ist die Änderung der Größe von Drähten basierend auf Kapazitätsgleichungen. Die effektivste Größe zu ändern ist der Abstand zwischen zwei Linien.

Es ist zu beachten, dass die Variable D im Nenner der Kapazitätsgleichung mit der Addition von D abnimmt. Eine weitere Variable, die geändert werden kann, ist die Länge der beiden Linien. In diesem Fall nimmt mit abnehmender Länge L auch der kapazitive Reaktanz zwischen den beiden Linien ab. Eine weitere Technologie besteht darin, einen Erdungsdraht zwischen zwei Leitungen zu verlegen. Der Erdungsdraht ist niedrig impedanz, und das Hinzufügen solcher zusätzlichen Drähte schwächt sich

3. Elektrisches Feld, das Störungen erzeugt

Das Prinzip der parasitären Induktivität in einer Leiterplatte ist dem der parasitären Kapazität ähnlich. Ordnen Sie auch zwei Linien an, wobei eine Linie auf der anderen in zwei verschiedenen Schichten platziert ist; In diesen beiden Verdrahtungskonfigurationen erzeugt die Änderung des Stroms über die Zeit (dI/dt) einer Verdrahtung aufgrund der induktiven Reaktanz der Verdrahtung eine Spannung auf der gleichen Verdrahtung; Aufgrund der gegenseitigen Induktivität erzeugt die andere Leitung einen proportionalen Strom.

Wenn die Spannungsabweichung an der ersten Leitung groß genug ist, kann Interferenz die Spannungstoleranz digitaler Schaltungen verringern und Fehler verursachen. Dieses Phänomen ist nicht nur für digitale Schaltkreise, sondern häufiger in digitalen Schaltkreisen mit großen augenblicklichen Schaltströmen. Um potenzielle Rauschen elektromagnetischer Störquellen zu eliminieren, ist es am besten, "leise" analoge Leitungen von rauschenden Ein-/Ausgängen zu trennen.

Um niederohmige Leistungs- und Erdungsnetze zu erreichen, sollte die induktive Reaktanz digitaler Schaltungsleiter minimiert und die kapazitive Kopplung analoger Schaltungen minimiert werden.

Sobald der digitale und analoge Bereich bestimmt sind, ist eine sorgfältige Verkabelung entscheidend, um eine Leiterplatte zu erreichen. Verkabelungsstrategien gelten oft als Faustregel, da es schwierig ist, den endgültigen Erfolg eines Produkts in einer Laborumgebung zu testen. Obwohl es Ähnlichkeiten in den Routing-Strategien zwischen digitalen und analogen Schaltungen gibt, sollten diese Unterschiede erkannt und ernst genommen werden.