Tin tức về PCB - Sự khác biệt trong thiết kế PCB cho mạch analog và kỹ thuật số

Hãy chia sẻ sự tương đồng giữa các chiến lược cáp thiết kế PCB cho mạch analog và kỹ thuật số.

1. Bỏ qua hoặc tách tụ

Đối với hệ thống dây điện, mô phỏng và thiết bị kỹ thuật số, các loại tụ điện này là cần thiết và mỗi tụ điện cần một tụ điện được kết nối gần chân nguồn của nó. Giá trị này thường là 0,1 độ F. Một loại tụ điện khác được yêu cầu ở phía nguồn của hệ thống, thường là khoảng 10 độ F. Giá trị điện dung dao động từ 1/10 đến 10 lần giá trị đề xuất. Tuy nhiên, chân phải ngắn và gần thiết bị (đối với tụ điện 0,1 độ F) hoặc nguồn điện (đối với tụ điện 10 độ F). Việc thêm các tụ điện bỏ qua hoặc tách rời vào bảng và đặt các tụ điện này trên bảng là điều thông thường trong thiết kế kỹ thuật số và tương tự. Nhưng điều thú vị là lý do khác nhau.

Trong thiết kế cáp analog, tụ điện bypass thường được sử dụng để bỏ qua tín hiệu tần số cao trên nguồn điện. Nếu không có tụ điện bỏ qua được thêm vào, các tín hiệu này có thể đi qua chân nguồn vào chip analog nhạy cảm. Thông thường, tần số của các tín hiệu tần số cao này vượt quá khả năng của bộ mô phỏng để ức chế tín hiệu tần số cao. Nếu tụ điện bỏ qua không được sử dụng trong mạch analog, tiếng ồn có thể được đưa vào đường dẫn tín hiệu và trong trường hợp xấu hơn, có thể gây rung động.

Các thiết bị kỹ thuật số như bộ điều khiển và bộ xử lý cũng cần tụ điện tách rời, nhưng vì những lý do khác nhau. Một trong những chức năng của các tụ điện này là hoạt động như một bộ sạc "mini". Trong một mạch kỹ thuật số, thường cần một dòng điện lớn để chuyển đổi trạng thái cổng. Vì dòng điện tạm thời của công tắc được tạo ra trên chip, nên có thêm một khoản phí "chờ" khi nó chuyển đổi và chảy qua bảng. Nếu hành động chuyển đổi được thực hiện mà không có đủ điện tích, điện áp nguồn sẽ thay đổi đáng kể.

Nếu điện áp thay đổi quá nhiều, mức tín hiệu kỹ thuật số sẽ đi vào trạng thái không chắc chắn và máy trạng thái trong thiết bị kỹ thuật số có thể hoạt động không chính xác. Dòng điện chuyển mạch chảy qua hệ thống dây điện của bảng mạch có thể gây ra sự thay đổi điện áp và sự hiện diện của cảm ứng ký sinh trong hệ thống dây điện của bảng mạch. Sự thay đổi điện áp có thể được tính bằng cách sử dụng công thức sau: V=LdI/dt, trong đó năm=thay đổi điện áp; I=Điện kháng dây bảng mạch; Di=Thay đổi dòng điện chạy qua đường; Độ sâu là thời gian mà dòng điện thay đổi.

Do đó, vì nhiều lý do khác nhau, tốt hơn là áp dụng tụ điện bỏ qua (hoặc tách rời) tại chân nguồn của nguồn điện hoặc thiết bị hoạt động. Nguồn điện và cáp nối đất nên được đặt cùng nhau để giảm khả năng nhiễu điện từ. Nếu dây nguồn và dây mặt đất không khớp chính xác, một vòng lặp hệ thống sẽ được thiết kế, có thể tạo ra tiếng ồn. Trên bảng này, sử dụng hình 3, diện tích mạch là 697 cm vuông. Với phương pháp được hiển thị, tiếng ồn bức xạ trên hoặc bên ngoài bảng không có khả năng tạo ra điện áp trong mạch.

Sự khác biệt giữa Analog Domain và Digital Domain

Các nguyên tắc cơ bản của hệ thống dây bảng mạch phù hợp với cả mạch analog và kỹ thuật số. Một nguyên tắc cơ bản của ngón tay cái là sử dụng một mặt phẳng mặt đất đầy đủ. Ý thức chung này làm giảm tác động của việc ghi dữ liệu/truyền dữ liệu (dòng điện thay đổi theo thời gian) trong mạch kỹ thuật số, có thể làm thay đổi điện thế địa và gây nhiễu vào mạch tương tự. Công nghệ cáp cho mạch kỹ thuật số và mạch analog về cơ bản giống nhau, chỉ với các sắc thái. Đối với mạch analog, điều quan trọng là giữ cho các đường tín hiệu kỹ thuật số và vòng lặp trong mặt phẳng mặt đất càng xa mạch analog càng tốt. Điều này có thể được thực hiện bằng cách kết nối một mặt phẳng mặt đất tương tự với một kết nối mặt đất hệ thống riêng lẻ hoặc bằng cách đặt một mạch tương tự ở đầu xa nhất của bảng, cuối của đường dây. Điều này được thực hiện để giảm thiểu nhiễu bên ngoài trên đường tín hiệu. Điều này là không cần thiết cho các mạch kỹ thuật số, có thể chịu được rất nhiều tiếng ồn trong mặt phẳng mặt đất mà không gặp vấn đề gì.

Như đã đề cập ở trên, trong mỗi thiết kế PCB, phần nhiễu của mạch được tách ra khỏi phần "yên tĩnh" (không có tiếng ồn). Nói chung, tiếng ồn mạch kỹ thuật số là "phong phú" và không nhạy cảm với tiếng ồn (vì mạch kỹ thuật số có dung lượng tiếng ồn điện áp lớn); Mặt khác, các mạch analog có khả năng chịu tiếng ồn điện áp thấp hơn nhiều. Trong cả hai, mạch analog nhạy cảm nhất với tiếng ồn chuyển mạch. Trong hệ thống cáp của hệ thống tín hiệu hỗn hợp, hai mạch được tách biệt.

Mạch analog

2. Các thành phần ký sinh được tạo ra bởi thiết kế PCB

Có hai yếu tố ký sinh cơ bản có thể dễ dàng gây ra vấn đề trong thiết kế PCB: điện dung ký sinh và điện cảm ký sinh. Khi thiết kế bảng mạch, giữ hai dây gần nhau sẽ tạo ra điện dung ký sinh. Điều này có thể được thực hiện bằng cách đặt một dòng trên một trong hai tầng khác nhau hoặc bằng cách đặt một dòng bên cạnh một dòng khác trên cùng một tầng. Trong cả hai cấu hình cáp, sự thay đổi điện áp theo thời gian (dV/dt) trên một dòng tạo ra dòng điện trên dòng kia. Nếu đường kia là đường trở kháng cao, dòng điện được tạo ra bởi điện trường sẽ được chuyển đổi thành điện áp. Chuyển tiếp điện áp nhanh thường xảy ra ở phía kỹ thuật số của thiết kế tín hiệu tương tự. Nếu sự chuyển tiếp điện áp nhanh xảy ra gần mạch analog trở kháng cao, lỗi này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của mạch analog.

Trong môi trường này, mạch analog có hai nhược điểm: khả năng chịu tiếng ồn của chúng thấp hơn nhiều so với mạch kỹ thuật số; Dây điện trở kháng cao là phổ biến. Điều này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng một trong hai kỹ thuật. Kỹ thuật phổ biến nhất là thay đổi kích thước của dây dựa trên phương trình điện dung. Thay đổi kích thước hiệu quả nhất là khoảng cách giữa hai đường.

Cần lưu ý rằng biến D trong mẫu số của phương trình điện dung giảm khi D tăng. Một biến khác có thể thay đổi là chiều dài của hai dòng. Trong trường hợp này, khi chiều dài L giảm, sức đề kháng giữa hai dòng cũng giảm. Một kỹ thuật khác là đặt các đường đất giữa hai đường. Trở kháng dây nối đất thấp, thêm dây bổ sung như vậy sẽ làm suy yếu

3. Điện trường gây nhiễu

Nguyên tắc điện cảm ký sinh trong bảng mạch tương tự như nguyên tắc điện dung ký sinh. Còn phải sắp xếp hai đường, một đường đặt ở một đường khác, chia thành hai tầng; Hoặc đặt một dây trên một dây khác trên cùng một lớp, như trong hình 6. Trong cả hai cấu hình dây, sự thay đổi dòng điện của một dây theo thời gian (dI/dt) sẽ tạo ra điện áp trên cùng một dây do điện trở cảm của dây; Một dòng khác sẽ tạo ra một dòng điện tỷ lệ thuận do cảm giác tương hỗ.

Nếu điện áp trên dòng đầu tiên thay đổi đủ lớn, nhiễu có thể làm giảm dung lượng điện áp của mạch kỹ thuật số và tạo ra lỗi. Hiện tượng này không phải là duy nhất cho các mạch kỹ thuật số, nhưng phổ biến hơn trong các mạch kỹ thuật số có dòng chuyển mạch tức thời lớn. Để loại bỏ tiếng ồn tiềm ẩn từ các nguồn nhiễu điện từ, tốt nhất là tách các đường analog "yên tĩnh" khỏi các cổng đầu vào/đầu ra ồn ào.

Để đạt được nguồn điện trở kháng thấp và mạng nối đất, cần giảm thiểu điện trở cảm của dây dẫn mạch kỹ thuật số và giảm thiểu ghép điện dung của mạch analog.

Khi phạm vi kỹ thuật số và analog đã được xác định, việc định tuyến cẩn thận là rất quan trọng để đạt được PCB. Chiến lược cáp thường được coi là quy tắc ngón tay cái vì rất khó để kiểm tra thành công cuối cùng của sản phẩm trong môi trường phòng thí nghiệm. Do đó, mặc dù có những điểm tương đồng giữa các mạch kỹ thuật số và mạch analog trong chiến lược cáp, những khác biệt này nên được nhận ra và xem xét nghiêm túc.