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

Partageons les similitudes entre les stratégies de routage 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 et chacun doit être connecté à un condensateur près 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 les condensateurs de 0,1 degrés Fahrenheit) ou de l'alimentation (pour les condensateurs de 10 degrés Fahrenheit). Dans la conception numérique et analogique, il est de bon sens d'ajouter des condensateurs de dérivation ou de découplage sur une carte et de placer ces condensateurs sur la carte. 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 dériver 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 un condensateur de dérivation n'est pas utilisé dans le circuit analogique, un bruit peut être introduit dans le trajet 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 une « mini» Banque d'alimentation. 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 secours" lorsqu'elle commute et traverse la carte. Si l'action de commutation est effectuée sans charge suffisante, la tension d'alimentation variera 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 des variations de tension et une inductance parasite est 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 5 = variation de tension; I = réactance de câblage de la carte; Di = variation du courant traversant la ligne; La profondeur est l'heure du changement actuel.

Ainsi, pour diverses raisons, il est préférable d'appliquer un condensateur de dérivation (ou de découplage) sur la broche d'alimentation de l'alimentation ou du dispositif actif. Le câble d'alimentation et le câble de mise à la terre doivent être placés ensemble pour réduire la possibilité d'interférences électromagnétiques. Si le cordon d'alimentation et le fil 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 cm². 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 aux circuits numériques. Une règle de base consiste à utiliser un plan de sol complet. Ce sens commun réduit l'impact de l'enregistrement / transmission de données (variations de courant dans le temps) dans les circuits numériques, car les circuits numériques modifient le potentiel de la terre et provoquent le bruit dans les circuits analogiques. Les techniques de câblage des circuits numériques et analogiques sont fondamentalement les mêmes, mais légèrement différentes. Pour les circuits analogiques, il est important d'éloigner autant que possible les lignes de signaux numériques et les boucles dans le plan de masse des circuits analogiques. 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 maintenir le trajet du signal à un minimum d'interférences externes. Ceci n'est pas nécessaire pour les circuits numériques qui peuvent tolérer sans problème un bruit important 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" (non bruyante). 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, les circuits analogiques ont une tolérance au bruit de tension 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: la capacité parasite et l'inductance parasite. Lors de la conception d'une carte, mettre deux fils ensemble 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 ces deux configurations de câblage, la variation de la tension dans le temps (DV / DT) sur un fil peut générer un courant sur l'autre fil. 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.

Les circuits analogiques présentent deux inconvénients dans cet environnement: 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 modifier la taille d'un fil sur la base d'une équation Capacitive. La taille de changement la plus efficace est la distance entre les deux lignes.

Il convient de noter 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 terre entre les deux lignes. L'impédance du fil de terre est faible, l'ajout d'un tel fil supplémentaire affaiblira

3. Champ électrique qui crée des interférences

Le principe d'une inductance parasite dans une carte est similaire à celui d'une capacité parasite. Alignez également deux lignes, l'une placée sur l'autre et divisée en deux couches; Soit placer une ligne à côté d'une autre sur la même couche, comme représenté sur la figure 6. Dans ces deux configurations de câblage, la variation du courant d'une ligne dans le temps (di / DT), due à la réactance inductive du câblage, crée une tension sur la même ligne; 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 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 des réseaux d'alimentation et de mise à la terre à faible impédance, il convient de minimiser l'inductance des conducteurs des circuits numériques et 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. Ainsi, bien que les circuits numériques et analogiques présentent des similitudes dans les stratégies de routage, ces différences doivent être reconnues et prises au sérieux.