L'actualité PCB - Différences de conception de PCB entre les circuits analogiques et numériques

Partageons les similitudes entre les stratégies de câblage de conception PCB pour les circuits analogiques et numériques.

1. Condensateur de dérivation ou de découplage

Pour le câblage, les simulateurs et les appareils numériques, ces types de condensateurs sont nécessaires, chacun nécessitant un condensateur connecté à proximité de sa broche d'alimentation. Cette valeur est généralement de 0,1 degrés Fahrenheit. Le côté alimentation du système nécessite un autre type de condensateur, généralement autour de 10 degrés Fahrenheit. Les valeurs de capacité vont de 1 / 10 à 10 fois les valeurs recommandées. Cependant, les broches doivent être courtes et proches de l'appareil (pour un condensateur de 0,1 degrés Fahrenheit) ou de l'alimentation (pour un condensateur de 10 degrés Fahrenheit). Ajouter des condensateurs de dérivation ou de découplage sur une carte et placer ces condensateurs sur une carte serait un bon sens dans la conception numérique et analogique. Mais ce qui est intéressant, c'est que les raisons varient.

Dans la conception de câblage analogique, les condensateurs de dérivation sont généralement utilisés pour contourner les signaux haute fréquence sur l'alimentation. Sans l'ajout d'un condensateur de dérivation, ces signaux peuvent entrer dans la puce analogique sensible via la broche d'alimentation. Typiquement, la fréquence de ces signaux haute fréquence dépasse la capacité du simulateur à inhiber les signaux haute fréquence. Si les condensateurs de dérivation ne sont pas utilisés dans le circuit analogique, le bruit peut être introduit dans le chemin du signal et, dans le pire des cas, provoquer des vibrations.

Les dispositifs numériques tels que les contrôleurs et les processeurs nécessitent également des condensateurs de découplage, mais pour différentes raisons. Une fonction de ces condensateurs est d'agir comme un « mini» Groupe de charge. Dans les circuits numériques, un courant important est généralement nécessaire pour Commuter l'état de grille. Comme le courant transitoire de commutation est généré sur la puce, il est avantageux d'avoir une charge supplémentaire de "veille" lorsqu'elle commute et circule à travers la carte. Si l'action de commutation est effectuée sans charge suffisante, la tension d'alimentation changera considérablement.

Si la tension varie trop, le niveau du signal numérique passe dans un état incertain et la machine d'état dans l'appareil numérique peut ne pas fonctionner correctement. Le courant de commutation circulant dans le câblage de la carte provoque une variation de tension, une inductance parasite étant présente dans le câblage de la carte. La variation de tension peut être calculée à l'aide de la formule suivante: v = LDI / DT, où five = variation de tension; I = réactance de câblage de la carte; Di = variation du courant traversant la ligne; La profondeur est le moment où le courant change.

Ainsi, pour diverses raisons, il est préférable d'appliquer un condensateur de dérivation (ou de découplage) au niveau de la broche d'alimentation de l'alimentation ou du dispositif actif. Les câbles d'alimentation et de mise à la terre doivent être mis ensemble pour réduire la possibilité d'interférences électromagnétiques. Si les lignes d'alimentation et de terre ne correspondent pas correctement, une boucle du système sera conçue, ce qui peut générer du bruit. Sur cette carte, en utilisant la figure 3, la zone de boucle est de 697 centimètres carrés. Avec la méthode illustrée, il est peu probable que le bruit rayonné sur ou à l'extérieur de la carte induise une tension dans le circuit.

Différences dans les stratégies de routage entre les domaines analogiques et numériques

Les principes de base du câblage de la carte s'appliquent aux circuits analogiques et numériques. Une règle de base consiste à utiliser un plan de masse complet. Ce sens commun réduit l'impact de l'enregistrement / transmission de données (variations de courant dans le temps) dans les circuits numériques, ce qui peut modifier le potentiel de la terre et faire entrer du bruit dans les circuits analogiques. Les techniques de câblage des circuits numériques et analogiques sont fondamentalement les mêmes, avec seulement des nuances. Pour les circuits analogiques, il est important de maintenir la ligne de signal numérique et la boucle dans le plan de masse aussi loin que possible du circuit analogique. Ceci peut être réalisé en connectant individuellement le plan de masse analogique à la connexion de masse du système, ou en plaçant le circuit analogique à l'extrémité la plus distale de la carte, c'est - à - dire à l'extrémité de la ligne. Ceci est fait pour minimiser les interférences externes sur le chemin du signal. Ceci n'est pas nécessaire pour les circuits numériques qui peuvent tolérer sans problème des bruits importants dans le plan de masse.

Comme indiqué ci - dessus, dans chaque conception de PCB, la partie bruyante du circuit est séparée de la partie "silencieuse" (sans bruit). En général, les circuits numériques sont « riches » en bruit et insensibles au bruit (car les circuits numériques ont une grande tolérance au bruit de tension); D'autre part, la tolérance au bruit de tension du circuit analogique est beaucoup plus faible. Dans les deux cas, les circuits analogiques sont les plus sensibles au bruit de commutation. Dans le câblage d'un système de signaux mixtes, les deux circuits sont séparés.

Circuit analogique

2. Éléments parasites résultant de la conception de PCB

Il existe deux éléments parasites de base qui peuvent facilement causer des problèmes dans la conception de PCB: les capacités parasites et les inductances parasites. Lors de la conception d'une carte, le rapprochement de deux fils crée une capacité parasite. Cela peut être fait en plaçant une ligne sur l'autre ligne de deux étages différents ou en plaçant une ligne à côté de l'autre ligne du même étage. Dans les deux configurations de câblage, la variation de la tension dans le temps (DV / DT) sur une ligne génère un courant sur l'autre ligne. Si l'autre ligne est une ligne à haute impédance, le courant généré par le champ électrique sera converti en tension. Les transitoires de tension rapides se produisent le plus souvent du côté numérique de la conception du signal analogique. Si des transitoires de tension rapides se produisent à proximité d'un circuit analogique à haute impédance, une telle erreur affectera gravement la précision du circuit analogique.

Dans cet environnement, les circuits analogiques présentent deux inconvénients: leur tolérance au bruit est bien inférieure à celle des circuits numériques; Le câblage à haute impédance est courant. Cela peut être réduit en utilisant l'une des deux techniques. La technique la plus courante consiste à changer la taille du fil en fonction de l'équation Capacitive. La taille la plus efficace pour changer est la distance entre les deux lignes.

On notera que la variable d dans le dénominateur de l'équation Capacitive diminue avec l'augmentation de D. une autre variable qui peut être modifiée est la longueur des deux lignes. Dans ce cas, à mesure que la longueur l diminue, la tolérance entre les deux lignes diminue également. Une autre technique consiste à poser une ligne de sol entre deux lignes. Faible impédance du fil de terre, l'ajout d'un tel fil supplémentaire affaiblira

3. Champ électrique qui crée des interférences

Le principe de l'inductance parasite dans la carte est similaire au principe de la capacité parasite. Organisez également deux lignes, l'une placée sur l'autre et divisée en deux étages; Soit placer une ligne sur l'autre sur la même couche, comme représenté sur la figure 6. Dans ces deux configurations de câblage, la variation temporelle (di / DT) du courant d'un câblage, due à la réactance inductive du câblage, va générer une tension sur le même câblage; En raison de l'inductance mutuelle, l'autre ligne produira un courant qui génère une proportion proportionnelle.

Si la variation de tension sur la première ligne est suffisamment importante, l'interférence diminue la tolérance de tension du circuit numérique et crée une erreur. Ce phénomène n'est pas propre aux circuits numériques, mais il est plus fréquent dans les circuits numériques à courant de commutation instantané important. Pour éliminer le bruit potentiel des sources d'interférences électromagnétiques, il est préférable de séparer les lignes analogiques "silencieuses" des ports d'entrée / sortie bruyants.

Pour réaliser un réseau d'alimentation et de mise à la terre à faible impédance, il convient de minimiser l'inductance des conducteurs du circuit numérique et de minimiser le couplage capacitif des circuits analogiques.

Une fois que les gammes numériques et analogiques sont déterminées, un câblage minutieux est essentiel pour la mise en œuvre du PCB. Les stratégies de câblage sont souvent considérées comme une règle de base, car il est difficile de tester le succès final d'un produit dans un environnement de laboratoire. Par conséquent, bien qu'il existe des similitudes dans les stratégies de câblage entre les circuits numériques et analogiques, ces différences doivent être reconnues et prises au sérieux.