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Dati PCB

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

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

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

2022-01-17
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Author:pcb

Questo articolo discute le somiglianze e le differenze di base tra routing analogico e digitale in termini di condensatori bypass, alimentazione elettrica, progettazione a terra, errori di tensione e interferenze elettromagnetiche (EMI) causate dal routing della scheda PCB. Il numero crescente di progettisti digitali e design di circuiti stampati digitali nel campo dell'ingegneria riflette le tendenze del settore. Sebbene l'enfasi sulla progettazione digitale abbia portato a importanti sviluppi nell'elettronica, c'è, e sarà sempre, una parte della progettazione di circuiti che si interfaccia con ambienti analogici o reali. Ci sono alcune somiglianze tra le strategie di routing nei domini analogici e digitali, ma quando si tratta di risultati migliori, la progettazione semplice del routing dei circuiti non è più la soluzione a causa delle loro diverse strategie di routing.

Scheda PCB

1. Similitudini di strategie di routing analogiche e digitale1.1 Bypass o disaccoppiamento condensatori Entrambi i dispositivi analogici e digitali richiedono questi tipi di condensatori durante il cablaggio, ed entrambi richiedono un condensatore vicino al suo pin di alimentazione, tipicamente 0.1uF. Un altro tipo di condensatore è richiesto sul lato dell'alimentazione del sistema, di solito il valore di questo condensatore è di circa 10uF. L'intervallo di valori del condensatore è compreso tra 1/10 e 10 volte il valore raccomandato. Tuttavia, i pin devono essere corti e il più vicino possibile al dispositivo (per condensatori 0.1uF) o all'alimentazione (per condensatori 10uF). L'aggiunta di condensatori bypass o disaccoppiamenti sulla scheda, e il posizionamento di questi condensatori sulla scheda, è buon senso sia per i progetti digitali che analogici. Ma è interessante notare che le ragioni sono diverse. Nella progettazione di cablaggio analogico, i condensatori bypass sono solitamente utilizzati per bypassare i segnali ad alta frequenza sull'alimentazione elettrica. Se non vengono aggiunti condensatori bypass, questi segnali ad alta frequenza possono entrare in chip analogici sensibili attraverso i pin di alimentazione. Generalmente, le frequenze di questi segnali ad alta frequenza superano la capacità del dispositivo analogico di rifiutare i segnali ad alta frequenza. Se i condensatori bypass non sono utilizzati nei circuiti analogici, possono introdurre rumore e, nei casi più gravi, vibrazioni nel percorso del segnale. Per dispositivi digitali come controller e processori, sono necessari anche condensatori di disaccoppiamento, ma per motivi diversi. Una funzione di questi condensatori è quella di agire come un "mini" serbatoio di carica. Nei circuiti digitali, lo stato di commutazione dei gate richiede solitamente una grande quantità di corrente. Avere una carica extra "di riserva" è utile a causa della commutazione transitoria sul chip e attraverso la scheda durante la commutazione. Se non c'è abbastanza carica per eseguire l'azione di commutazione, causerà un grande cambiamento nella tensione di alimentazione. Variazioni di tensione troppo grandi possono far sì che i livelli del segnale digitale entrino in stati indeterminati e che probabilmente le macchine di stato nei dispositivi digitali si comportino in modo errato. La corrente di commutazione che scorre attraverso le tracce del circuito stampato causerà il cambiamento della tensione. C'è induttanza parassitaria nelle tracce del circuito stampato. La seguente formula può essere utilizzata per calcolare la variazione di tensione: V = LdI/dt. dove V = variazione di tensione; L = reattività induttiva delle tracce di bordo; dI = variazione della corrente che scorre attraverso la traccia; dt = tempo di cambiamento della corrente. Pertanto, è buona prassi applicare condensatori di bypass (o disaccoppiamento) all'alimentazione o ai pin di alimentazione dei dispositivi attivi per una serie di motivi. Il cavo di alimentazione e il cavo di terra dovrebbero essere posati insieme. La posizione del cavo di alimentazione e del cavo di terra è ben abbinata, che può ridurre la possibilità di interferenze elettromagnetiche. Se i cavi di alimentazione e di massa non sono abbinati correttamente, vengono progettati loop nel sistema e si può generare rumore. Su questa scheda, l'area del ciclo progettata è 697cm2. Il rumore irradiato sul circuito stampato o fuori è molto meno probabile che induca tensioni nel ciclo. Differenze nelle strategie di routing nei domini analogici e digitali. Le basi del layout del circuito si applicano sia ai circuiti analogici che digitali. Una regola fondamentale è quella di utilizzare un piano di terra ininterrotto. Questo buon senso riduce l'effetto dI/dt (corrente contro tempo) nei circuiti digitali, che può cambiare il potenziale della terra e introdurre rumore nei circuiti analogici. Le tecniche di cablaggio per circuiti digitali e analogici sono fondamentalmente le stesse, con una sola eccezione. 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. Questo può essere ottenuto collegando il piano di terra analogico da solo alla connessione a terra del sistema, o posizionando il circuito analogico all'estremità opposta della scheda, alla fine della linea. Questo viene fatto per mantenere il percorso del segnale libero da interferenze esterne. Questo non è necessario per i circuiti digitali, che possono tollerare un sacco di rumore sul piano di terra senza problemi.1.2 Posizione dei componentiCome accennato in precedenza, in ogni progetto PCB, le parti rumorose e "silenziose" (non rumorose) del circuito sono separate. In generale, i circuiti digitali sono "ricchi" di rumore e insensibili al rumore (perché i circuiti digitali hanno un margine di rumore di tensione maggiore); Al contrario, i circuiti analogici hanno un margine di rumore di tensione molto più piccolo. Dei due circuiti analogici sono sensibili al rumore di commutazione. Nel cablaggio dei 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. Quando si progetta una scheda, posizionare due tracce l'una vicino all'altra crea capacità parassitaria. Questo può essere fatto: su due strati diversi, posizionare una traccia sopra l'altra; o sullo stesso livello, posizionare una traccia accanto all'altra. In entrambe le configurazioni di traccia, un cambiamento di tensione nel tempo (dV/dt) su una traccia può generare corrente sull'altra traccia. Se l'altra traccia è alta impedenza, la corrente creata dal campo elettrico sarà convertita in tensione. I transienti di tensione veloce spesso si verificano sul lato digitale dei progetti di segnale analogico. Questo errore può influenzare seriamente la precisione dei circuiti analogici se tracce con transienti di tensione veloce sono posizionate vicino a tracce analogiche ad alta impedenza. In questo ambiente, i circuiti analogici hanno due svantaggi: il loro margine di rumore è molto inferiore a quello dei circuiti digitali; Le tracce ad alta impedenza sono più comuni. Questo fenomeno può essere ridotto utilizzando una delle due tecniche descritte di seguito. Una tecnica comune è quella di variare la dimensione tra tracce in base all'equazione per la capacità. La dimensione effettiva da cambiare è la distanza tra le due tracce. Si noti che la variabile d è nel denominatore dell'equazione della capacità, e man mano che d aumenta, la reattività capacitiva diminuisce. Un'altra variabile che può essere modificata è la lunghezza delle due tracce. In questo caso, la lunghezza L è ridotta e il capacitivo