Notizie PCB - Differenze di progettazione PCB tra circuiti analogici e circuiti digitali

Condividiamo le somiglianze tra le strategie di routing di progettazione PCB per circuiti analogici e circuiti digitali.

1. Bypass o disaccoppiamento condensatore

Per cablaggi, simulatori e dispositivi digitali, questi tipi di condensatori sono necessari e ogni condensatore richiede un condensatore collegato vicino al suo pin di alimentazione. Questo valore è tipicamente 0,1 gradi Fahrenheit. Il lato di potenza di un sistema richiede un altro tipo di condensatore, tipicamente circa 10 gradi Fahrenheit. L'intervallo di valori di capacità è da 1/10 a 10 volte il valore raccomandato. Tuttavia, i pin devono essere corti e vicini al dispositivo (per condensatori 0,1 gradi Fahrenheit) o all'alimentazione (per condensatori 10 gradi Fahrenheit). L'aggiunta di condensatori bypass o disaccoppiamenti a una scheda di circuito e la collocazione di questi condensatori sulla scheda di circuito sono di buon senso sia nel design digitale che analogico. Ma è interessante notare che le ragioni variano.

Nei progetti di cablaggio analogico, i condensatori bypass sono tipicamente utilizzati per bypassare i segnali ad alta frequenza sugli alimentatori. Se non vengono aggiunti condensatori bypass, questi segnali possono entrare in chip analogici sensibili attraverso pin di alimentazione. Tipicamente, la frequenza di questi segnali ad alta frequenza supera la capacità del simulatore di sopprimere i segnali ad alta frequenza. Se nei circuiti analogici non vengono utilizzati condensatori bypass, il rumore può essere introdotto nel percorso del segnale e, nei casi peggiori, può causare vibrazioni.

I condensatori di disaccoppiamento sono necessari anche per dispositivi digitali come controller e processori, ma le ragioni sono diverse. Una funzione di questi condensatori è quella di agire come una "mini" banca di ricarica. Nei circuiti digitali, le grandi correnti sono solitamente necessarie per commutare gli stati del gate. Poiché sul chip vengono generate correnti transitorie di commutazione, è vantaggioso avere una carica aggiuntiva "standby" quando passa e scorre attraverso il circuito stampato. Se l'azione di commutazione viene eseguita senza carica sufficiente, la tensione di alimentazione varia significativamente.

Se la tensione cambia troppo, il livello del segnale digitale entrerà in uno stato incerto e la macchina di stato nel dispositivo digitale potrebbe funzionare in modo errato. La corrente di commutazione che scorre attraverso il cablaggio del circuito stampato può causare cambiamenti di tensione e l'induttanza parassitaria esiste nel cablaggio del circuito stampato. La seguente formula può essere utilizzata per calcolare il cambiamento di tensione: V=LdI/dt dove cinque=cambiamento di tensione; I=reattanza di cablaggio del circuito; Di=variazione della corrente che scorre attraverso la linea; La profondità è il tempo in cui la corrente cambia.

Pertanto, è preferibile applicare un condensatore bypass (o disaccoppiamento) al pin di alimentazione di un alimentatore o dispositivo attivo per vari motivi. I cavi di alimentazione e di terra devono essere posizionati insieme per ridurre la possibilità di interferenze elettromagnetiche. Se i cavi di alimentazione e di massa non corrispondono correttamente, verrà progettato un ciclo di sistema, che probabilmente genererà rumore. Su questo circuito, l'area del ciclo è di 697 centimetri quadrati utilizzando la Figura 3 Con il metodo mostrato, il rumore irradiato dentro o fuori il circuito è improbabile che induca tensione nel circuito.

Differenze nelle strategie di routing tra domini analogici e digitali

I principi di base del cablaggio del circuito si applicano ai circuiti analogici e digitali. Una regola fondamentale è quella di utilizzare un piano di terra completo. Questo buon senso riduce l'effetto della registrazione dei dati/trasmissione dei dati (variazione della corrente nel tempo) nei circuiti digitali, che può cambiare il potenziale di terra e causare il rumore di entrare nei circuiti analogici. La tecnologia di cablaggio per circuiti digitali e analogici è fondamentalmente la stessa, con solo una leggera differenza. Per i circuiti analogici, è importante mantenere il loop nella linea del segnale digitale e nel piano di terra il più lontano possibile dal circuito analogico. Ciò può essere ottenuto collegando il piano di terra analogico individualmente alla connessione a terra del sistema, o posizionando il circuito analogico all'estremità più lontana del circuito, cioè alla fine della linea. Questo viene fatto per mantenere il percorso del segnale al minimo di interferenze esterne. Ciò non è necessario per i circuiti digitali, che possono tollerare una grande quantità di rumore nel piano di terra senza alcun problema.

Come accennato in precedenza, in ogni progetto PCB, la porzione di rumore del circuito è separata dalla parte "silenziosa" (non rumore). In generale, i circuiti digitali sono "ricchi" di rumore e insensibili al rumore (perché i circuiti digitali hanno una grande tolleranza al rumore di tensione); D'altra parte, i circuiti analogici hanno una tolleranza al rumore di tensione molto più bassa. Dei due, i circuiti analogici sono i più sensibili al rumore di commutazione. Nel cablaggio di un sistema a segnale misto, i due circuiti sono separati.

Circuito analogico

2. Componenti parassitici generati dalla progettazione PCB

Ci sono due componenti parassitari di base che possono facilmente causare problemi nella progettazione del PCB: capacità parassitaria e induttanza parassitaria. Quando si progetta un circuito stampato, posizionare due fili vicini tra loro può creare capacità parassitaria. Questo può essere ottenuto posizionando una linea sopra un'altra linea su due piani diversi, o posizionando una linea accanto a un'altra linea sullo stesso piano. In entrambe le configurazioni di cablaggio, il cambiamento di tensione nel tempo (dv/dt) su un cavo può generare una corrente sull'altro cavo. Se l'altra linea è una linea ad alta impedenza, la corrente generata dal campo elettrico sarà convertita in tensione. I transienti di tensione veloce si verificano più spesso sul lato digitale della progettazione del segnale analogico. Se un transiente di tensione veloce si verifica in prossimità di un circuito analogico ad alta impedenza, questo errore influenzerà seriamente la precisione del circuito analogico.

I circuiti analogici presentano due svantaggi in questo ambiente: la loro tolleranza al rumore è molto inferiore a quella dei circuiti digitali; I cavi ad alta impedenza sono comuni. Questo può essere ridotto utilizzando una delle due tecnologie. La tecnologia più comune è quella di cambiare la dimensione dei fili in base alle equazioni di capacità. La dimensione più efficace per cambiare è la distanza tra due linee.

Va notato che la variabile D nel denominatore dell'equazione di capacità diminuisce con l'aggiunta di D. Un'altra variabile che può essere modificata è la lunghezza delle due linee. In questo caso, man mano che la lunghezza L diminuisce, diminuisce anche la reattività capacitiva tra le due linee. Un'altra tecnologia è quella di posare un filo di terra tra due linee. Il filo di terra è a bassa impedenza e l'aggiunta di tali cavi aggiuntivi indebolirà

3. Campo elettrico che genera interferenze

Il principio dell'induttanza parassitaria in un circuito stampato è simile a quello della capacità parassitaria. Disporre anche due linee, con una linea posta sull'altra in due strati diversi; In queste due configurazioni di cablaggio, a causa della reattività induttiva del cablaggio, il cambiamento di corrente nel tempo (dI/dt) di un cablaggio genererà una tensione sullo stesso cablaggio; A causa dell'induttanza reciproca, l'altra linea genererà una corrente proporzionale.

Se la variazione di tensione sulla prima linea è abbastanza grande, l'interferenza può ridurre la tolleranza di tensione dei circuiti digitali e generare errori. Questo fenomeno non è unico per i circuiti digitali, ma è più comune nei circuiti digitali con grandi correnti istantanee di commutazione. Per eliminare il rumore potenziale da fonti di interferenza elettromagnetica, è meglio separare le linee analogiche "silenziose" dalle porte di ingresso/uscita rumorose.

Al fine di raggiungere la potenza a bassa impedenza e le reti a terra, la reattanza induttiva dei conduttori di circuiti digitali dovrebbe essere minimizzata e l'accoppiamento capacitivo dei circuiti analogici dovrebbe essere minimizzato.

Una volta determinate le gamme digitali e analogiche, un cablaggio attento è fondamentale per ottenere un PCB. Le strategie di cablaggio sono spesso viste come una regola generale perché è difficile testare il successo finale di un prodotto in un ambiente di laboratorio. Pertanto, sebbene ci siano somiglianze nelle strategie di routing tra circuiti digitali e circuiti analogici, queste differenze dovrebbero essere riconosciute e prese sul serio.