La differenza tra il circuito analogico e il design della scheda PCB del circuito digitale

Questo articolo discute le somiglianze e le differenze di base tra routing analogico e digitale in termini di condensatori bypass, power supply, progettazione del suolo, voltage errors, and electromagnetic interference (EMI) caused by PCB board routing. The increasing number of digital designers and digital circuit board designs in the engineering field reflects the trends in the industry. Anche se l'enfasi sulla progettazione digitale ha portato importanti sviluppi nell'elettronica, there is, e sarà sempre, a portion of circuit design that interfaces with analog or real-world environments. Ci sono alcune somiglianze tra le strategie di routing nei domini analogici e digitali, but when it comes to better results, Il semplice design di routing del circuito non è più la soluzione a causa delle loro diverse strategie di routing.

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, and both require a capacitor close to its power pin, tipicamente 0.1uF. Un altro tipo di condensatore è richiesto sul lato dell'alimentazione del sistema, usually the value of this capacitor is about 10uF. L'intervallo di valori del condensatore è compreso tra 1/10 and 10 times the recommended value. Tuttavia, the pins must be short and as close as possible to the device (for 0.1uF capacitors) or the power supply (for 10uF capacitors). Adding bypass or decoupling capacitors on the board, e il posizionamento di questi condensatori sulla scheda, is common sense for both digital and analog designs. Ma interessante, the reasons are different. In progettazione di cavi analogici, bypass capacitors are usually used to bypass high-frequency signals on the power supply. Se non vengono aggiunti condensatori bypass, these high-frequency signals may enter sensitive analog chips through the power supply pins. Generalmente, the frequencies of these high-frequency signals exceed the ability of the analog device to reject high-frequency signals. Se i condensatori bypass non sono utilizzati nei circuiti analogici, it can introduce noise and, nei casi più gravi, vibrations in the signal path.

Per dispositivi digitali come controller e processori, decoupling capacitors are also needed, ma per motivi diversi. One function of these capacitors is to act as a "mini" charge reservoir. Nei circuiti digitali, switching gate states usually requires a large amount of current. Avere una carica extra "di riserva" è utile a causa della commutazione transitoria sul chip e attraverso la scheda durante la commutazione. If there is not enough charge to perform the switching action, causerà un grande cambiamento nella tensione di alimentazione. Voltage variations that are too large can cause digital signal levels to go into indeterminate states and likely cause state machines in digital devices to behave incorrectly. La corrente di commutazione che scorre attraverso le tracce del circuito stampato causerà il cambiamento della tensione. There is parasitic inductance in the circuit board traces. La seguente formula può essere utilizzata per calcolare la variazione di tensione: V = LdI/dt. where V = change in voltage; L = inductive reactance of board traces; dI = change in current flowing through the trace; dt = time for current to change. Pertanto, 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. Il cavo di alimentazione e il cavo di terra dovrebbero essere posati insieme. The position of the power cable and the ground cable is well matched, che può ridurre la possibilità di interferenze elettromagnetiche. If the power and ground wires are not properly matched, sono progettati loop nel sistema e è probabile che venga generato rumore. On this board, l'area del ciclo progettata è 697cm2. Radiated noise on or off the circuit board is much less likely to induce voltages in the loop. Differenze nelle strategie di routing nei domini analogici e digitali.

The basics of circuit board layout apply to both analog and digital circuits. Una regola fondamentale è quella di utilizzare un piano di terra ininterrotto. This common sense reduces the dI/dt (current versus time) effect in digital circuits, which can change the potential of ground and introduce noise into analog circuits. Le tecniche di cablaggio per circuiti digitali e analogici sono fondamentalmente le stesse, with one exception. Un altro punto da notare con i circuiti analogici è quello di mantenere le linee di segnale digitali e i loop nel piano di terra il più lontano possibile dai circuiti analogici. This can be accomplished by connecting the analog ground plane alone to the system ground connection, oppure posizionando il circuito analogico all'estremità opposta della scheda, at the end of the line. Questo viene fatto per mantenere il percorso del segnale libero da interferenze esterne. This is not necessary for digital circuits, che può tollerare un sacco di rumore sul piano terra senza problemi.

1.2 Location of components
As mentioned above, in every PCB design, the noisy and "quiet" (non-noisy) parts of the circuit are separated. In general, digital circuits are "rich" in noise and insensitive to noise (because digital circuits have a larger voltage noise margin); in contrast, analog circuits have a much smaller voltage noise margin. Dei due, analog circuits are sensitive to switching noise.

Nel cablaggio di sistemi a segnale misto, questi due circuiti sono separati. Due componenti parassitari di base che possono causare problemi si formano facilmente nella progettazione della scheda PCB: capacità parassitaria e induttanza parassitaria. When designing a board, Posizionare due tracce l'una vicino all'altra crea capacità parassitaria. This can be done: on two different layers, porre una traccia sopra l'altra; o sullo stesso livello, place one trace next to the other. In entrambe le configurazioni di traccia, a change in voltage over time (dV/dt) on one trace may generate current on the other trace. If the other trace is high impedance, la corrente creata dal campo elettrico sarà convertita in tensione. Fast voltage transients often occur on the digital side of analog signal designs. Questo errore può influenzare seriamente la precisione dei circuiti analogici se le tracce con transienti di tensione veloce sono posizionate vicino a tracce analogiche ad alta impedenza. In questo ambiente, analog circuits have two disadvantages: their noise margin is much lower than that of digital circuits; high-impedance traces are more common. Questo fenomeno può essere ridotto utilizzando una delle due tecniche descritte di seguito. A common technique is to vary the size between traces according to the equation for capacitance. La dimensione effettiva da cambiare è la distanza tra le due tracce. Note that the variable d is in the denominator of the capacitance equation, e come d aumenta, the capacitive reactance decreases. Un'altra variabile che può essere modificata è la lunghezza delle due tracce. In this case, la lunghezza L è ridotta e anche la reattività capacitiva tra le due tracce è ridotta.

Another technique is to route a ground trace between these two traces. Il cavo di massa è a bassa impedenza, e aggiungere un'altra traccia come questa attenua il campo elettrico interferente. The principle of parasitic inductance in the circuit board is similar to that of parasitic capacitance. È anche per porre due tracce. Su due strati diversi, posizionare una traccia sopra l'altra traccia; o sullo stesso livello, place one trace next to the other, come mostrato nella figura 6. In these two trace configurations, 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, Verrà disegnata una corrente proporzionale sull'altra traccia. If the voltage variation on a trace is large enough, L'interferenza può ridurre la tolleranza di tensione del circuito digitale e causare errori. This phenomenon is not unique to digital circuits, ma è comune nei circuiti digitali dove esistono grandi correnti di commutazione transitorie. To eliminate potential noise from EMI sources, linee analogiche "silenziose" separate da quelle rumorose I/O ports. Cercare di raggiungere una bassa impedenza di potenza e rete di terra, the inductive reactance of the digital circuit wires should be minimized, e l'accoppiamento capacitivo del circuito analogico dovrebbe essere minimizzato.

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. Therefore, nonostante le somiglianze nelle strategie di routing dei circuiti digitali e analogici, it is important to recognize and take seriously the differences in routing strategies. Una volta determinati gli intervalli digitali e analogici, careful routing is critical to a successful PCB board.