Leiterplatte Blog - Der Unterschied zwischen analoger Schaltung und digitalem Leiterplattendesign

Dieser Artikel diskutiert die grundlegenden Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen analogem und digitalem Routing in Bezug auf Bypass-Kondensatoren, Stromversorgung, Bodengestaltung, Spannungsfehler, and electromagnetic interference (EMI) caused by Leiterplatte Routing. Die steigende Anzahl von digitalen Designern und digitalen Leiterplattendesigns im Engineering-Bereich spiegelt die Trends in der Industrie wider. Obwohl die Betonung auf digitales Design zu großen Entwicklungen in der Elektronik geführt hat, es gibt, und wird immer sein, Ein Teil des Schaltungsdesigns, der sich mit analogen oder realen Umgebungen verbindet. Es gibt einige Ähnlichkeiten zwischen Routing-Strategien im analogen und digitalen Bereich, aber wenn es um bessere Ergebnisse geht, Einfaches Schaltungs-Routing Design ist aufgrund ihrer unterschiedlichen Routing Strategien nicht mehr die Lösung.

1. Similarities of Analog and Digital Routing Strategies

1.1 Bypass or decoupling capacitors
Both analog and digital devices require these types of capacitors when wiring, und beide benötigen einen Kondensator in der Nähe seines Power Pin, typischerweise 0.1uF. Ein anderer Kondensator-Typ wird auf der Versorgungsseite des Systems benötigt, Normalerweise beträgt der Wert dieses Kondensators ca. 10uF. Der Kondensator-Wertebereich liegt zwischen 1/10- und 10-facher empfohlener Wert. Allerdings, the pins must be short and as close as possible to the device (for 0.1uF capacitors) or the power supply (for 10uF capacitors). Hinzufügen von Bypass- oder Entkopplungskondensatoren auf der Platine, und die Platzierung dieser Kondensatoren auf der Platine, ist gesunder Menschenverstand für digitale und analoge Designs. Aber interessant, die Gründe sind unterschiedlich. Im analogen Verdrahtungsdesign, Bypass-Kondensatoren werden normalerweise verwendet, um Hochfrequenzsignale an der Stromversorgung zu umgehen. Wenn keine Bypass-Kondensatoren hinzugefügt werden, Diese Hochfrequenzsignale können empfindliche analoge Chips über die Spannungsversorgungs-Pins eindringen. Allgemein, Die Frequenzen dieser Hochfrequenzsignale überschreiten die Fähigkeit des Analoggeräts, Hochfrequenzsignale abzulehnen. Wenn Bypass-Kondensatoren nicht in analogen Schaltungen verwendet werden, es kann Lärm und, in schwereren Fällen, Vibrationen im Signalweg.

Für digitale Geräte wie Controller und Prozessoren, Entkopplungskondensatoren werden ebenfalls benötigt, aber aus verschiedenen Gründen. Eine Funktion dieser Kondensatoren besteht darin, als "Mini"-Ladespeicher zu fungieren.. In digitalen Schaltungen, Schalten von Gate-Zuständen erfordert in der Regel eine große Menge an Strom. Eine zusätzliche "Ersatzladung" ist vorteilhaft, da Transienten auf dem Chip und durch die Platine beim Schalten geschaltet werden.. Wenn nicht genug Ladung vorhanden ist, um die Schaltaktion auszuführen, Es wird eine große Änderung der Versorgungsspannung verursachen. Zu große Spannungsschwankungen können dazu führen, dass digitale Signalpegel in unbestimmte Zustände übergehen und Zustandsmaschinen in digitalen Geräten wahrscheinlich falsch verhalten. Der Schaltstrom, der durch die Leiterplattenspuren fließt, bewirkt, dass sich die Spannung ändert. Es gibt parasitäre Induktivität in den Leiterplattenspuren. Die folgende Formel kann verwendet werden, um die Spannungsänderung zu berechnen: V bis LdI/dt. wo V. Spannungsänderung; L geringe induktive Reaktanz von Leiterbahnen; dI. Änderung des durch die Leiterbahn fließenden Stroms; dt. Zeit für die aktuelle Änderung. Daher, it is good practice to apply bypass (or decoupling) capacitors at the power supply or at the power supply pins of active devices for a number of reasons. Das Stromkabel und das Erdungskabel sollten zusammen verlegt werden. Die Position des Stromkabels und des Erdungskabels ist gut aufeinander abgestimmt, das die Möglichkeit elektromagnetischer Störungen verringern kann. Wenn die Strom- und Erdungskabel nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, Schleifen im System sind entworfen und Geräusche werden wahrscheinlich erzeugt. Auf dieser Tafel, die entworfene Schleife Fläche ist 697cm2. Abstrahltes Rauschen auf oder außerhalb der Leiterplatte ist viel weniger wahrscheinlich, Spannungen in der Schleife zu induzieren. Unterschiede in Routingstrategien im analogen und digitalen Bereich.

Die Grundlagen des Leiterplattenlayouts gelten sowohl für analoge als auch für digitale Schaltungen. Eine grundlegende Faustregel ist, eine ununterbrochene Bodenebene zu verwenden. Dieser gesunde Menschenverstand reduziert die/dt (current versus time) effect in digital circuits, das Potential der Masse verändern und Rauschen in analoge Schaltungen einführen kann. Verdrahtungstechniken für digitale und analoge Schaltungen sind grundsätzlich die gleichen, mit einer Ausnahme. Ein weiterer Punkt, der bei analogen Schaltungen zu beachten ist, ist, digitale Signalleitungen und Schleifen in der Erdungsebene so weit wie möglich von analogen Schaltungen entfernt zu halten. Dies kann erreicht werden, indem die analoge Masseebene allein an den Systembodenanschluss angeschlossen wird, oder durch Platzieren der analogen Schaltung auf dem anderen Ende der Platine, am Ende der Linie. Dies wird getan, um den Signalweg frei von externen Störungen zu halten. Dies ist bei digitalen Schaltungen nicht notwendig, die ohne Probleme viel Lärm auf der Bodenfläche vertragen kann.

1.2 Location of components
As mentioned above, in jedem PCB Design, the noisy and "quiet" (non-noisy) parts of the circuit are separated. Allgemein, digital circuits are "rich" in noise and insensitive to noise (because digital circuits have a larger voltage noise margin); in contrast, Analoge Schaltungen haben einen viel kleineren Spannungsrauschbereich. Von den beiden, Analogschaltungen sind empfindlich gegenüber Schaltrauschen.

Bei der Verdrahtung von Mischsignalsystemen, diese beiden Schaltkreise sind getrennt. Zwei grundlegende parasitäre Komponenten, die Probleme verursachen können, werden leicht in Leiterplatte Design: parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität. Bei der Gestaltung einer Tafel, Wenn zwei Leiterbahnen dicht nebeneinander platziert werden, entsteht parasitäre Kapazität. Dies kann getan werden: auf zwei verschiedenen Schichten, eine Spur übereinander legen; oder auf derselben Schicht, eine Spur neben die andere legen. In beiden Trace-Konfigurationen, a change in voltage over time (dV/dt) on one trace may generate current on the other trace. Wenn die andere Spur eine hohe Impedanz hat, Der durch das elektrische Feld erzeugte Strom wird in Spannung umgewandelt. Schnelle Spannungstransienten treten häufig auf der digitalen Seite von analogen Signaldesigns auf. Dieser Fehler kann die Genauigkeit von analogen Schaltungen ernsthaft beeinträchtigen, wenn Leiterbahnen mit schnellen Spannungstransienten in der Nähe von hochohmigen analogen Leiterbahnen platziert werden. In diesem Umfeld, Analoge Schaltungen haben zwei Nachteile: ihre Rauschmarge ist viel geringer als die von digitalen Schaltungen; Hochimpedanzspuren sind häufiger anzutreffen. Dieses Phänomen kann mit einer der beiden unten beschriebenen Techniken reduziert werden. Eine gängige Technik ist, die Größe zwischen Leiterbahnen entsprechend der Gleichung für die Kapazität zu variieren. Die effektive Dimension zu ändern ist der Abstand zwischen den beiden Spuren. Beachten Sie, dass die Variable d im Nenner der Kapazitätsgleichung steht, und wie d zunimmt, der kapazitive Reaktanz sinkt. Eine weitere Variable, die geändert werden kann, ist die Länge der beiden Spuren. In diesem Fall, Die Länge L wird reduziert und der kapazitive Reaktanz zwischen den beiden Leitern wird ebenfalls reduziert.

Eine andere Technik besteht darin, eine Bodenspur zwischen diesen beiden Spuren zu routen.. Der Erdungskabel ist niederohmig, Und das Hinzufügen einer weiteren Spur wie diese wird das störende elektrische Feld dämpfen. Das Prinzip der parasitären Induktivität in der Leiterplatte ist ähnlich dem der parasitären Kapazität. Es ist auch, zwei Spuren zu legen. Auf zwei verschiedenen Schichten, eine Spur auf die andere Spur legen; oder auf derselben Schicht, eine Spur neben die andere legen, wie in Abbildung 6 gezeigt. In diesen beiden Trace-Konfigurationen, the change of current on one trace with time (dI/dt) will generate voltage on the same trace due to the inductive reactance of this trace; and due to the existence of mutual inductance, Ein proportionaler Strom wird auf die andere Spur gezogen. Wenn die Spannungsabweichung auf einer Spur groß genug ist, Die Interferenz kann die Spannungstoleranz der digitalen Schaltung verringern und Fehler verursachen. Dieses Phänomen ist nicht nur für digitale Schaltungen, aber es ist üblich in digitalen Schaltkreisen, wo große transiente Schaltströme existieren. Beseitigung potenzieller Störungen durch EMI-Quellen, Trennen Sie "leise" analoge Leitungen von lauten I/O Häfen. Um zu versuchen, ein niederohmiges Energie- und Erdnetz zu erreichen, Die induktive Reaktanz der digitalen Schaltungsdrähte sollte minimiert werden, und die kapazitive Kopplung der analogen Schaltung sollte minimiert werden.

2. Summary
Cabling strategies are often presented as a rule of thumb because it is difficult to test the ultimate success of a product in a laboratory environment. Daher, trotz der Ähnlichkeiten in den Routingstrategien digitaler und analoger Schaltungen, Es ist wichtig, die Unterschiede in Routingstrategien zu erkennen und ernst zu nehmen. Sobald der digitale und analoge Bereich bestimmt sind, Sorgfältiges Routing ist entscheidend für einen erfolgreichen Leiterplatte.