Der Unterschied zwischen analogen und digitalen Schaltungen im PCB-Design

Der Unterschied zwischen analogen und digitalen Schaltungen im PCB-Design

Die Zahl digitaler Designer und Experten für digitales Leiterplattendesign im technischen Bereich nimmt ständig zu, was den Entwicklungstrend der Branche widerspiegelt.Obwohl die Betonung des digitalen Designs zu einer erheblichen Weiterentwicklung elektronischer Produkte geführt hat, gibt es immer noch einige Schaltungsdesigns, die mit analogen oder realen Umgebungen interagieren, und wird es auch weiterhin geben.Die Verdrahtungsstrategien im analogen und digitalen Bereich weisen einige Ähnlichkeiten auf, aber um bessere Ergebnisse zu erzielen, ist ein einfacher Schaltungsverdrahtungsentwurf aufgrund der unterschiedlichen Verdrahtungsstrategien nicht mehr die optimale Lösung.

In diesem Artikel werden die grundlegenden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen analoger und digitaler Verkabelung im Hinblick auf Bypass-Kondensatoren, Stromversorgung, Erdungskabeldesign, Spannungsfehler und elektromagnetische Störungen (EMI), die durch Leiterplattenverkabelung verursacht werden, erläutert.

01 Ähnlichkeiten zwischen analogen und digitalen Verkabelungsstrategien

Bypass- oder Entkopplungskondensator

Bei der Verkabelung benötigen sowohl analoge als auch digitale Geräte diese Art von Kondensatoren, die an einen Kondensator in der Nähe ihres Stromanschlusses angeschlossen werden müssen.Dieser Kapazitätswert beträgt normalerweise 0,1 uF.Die Stromversorgungsseite des Systems erfordert einen anderen Kondensatortyp, normalerweise mit einem Wert von etwa 10 uF.

Die Positionen dieser Kondensatoren sind in Abbildung 1 dargestellt. Der Kapazitätsbereich liegt zwischen dem 1/10- und dem 10-fachen des empfohlenen Wertes.Die Pins müssen jedoch kurz sein und so nah wie möglich am Gerät (bei 0,1uF-Kondensatoren) oder der Stromversorgung (bei 10uF-Kondensatoren) liegen.

Das Hinzufügen von Bypass- oder Entkopplungskondensatoren auf einer Leiterplatte sowie die Position dieser Kondensatoren auf der Platine sind sowohl für digitale als auch für analoge Designs allgemein bekannt.Aber interessanterweise sind die Gründe unterschiedlich.

Beim analogen Verdrahtungsdesign werden Bypass-Kondensatoren normalerweise für Hochfrequenzsignale auf der Bypass-Stromversorgung verwendet.Wenn keine Bypass-Kondensatoren hinzugefügt werden, können diese Hochfrequenzsignale über die Stromversorgungspins in empfindliche analoge Chips gelangen.Im Allgemeinen übersteigt die Frequenz dieser Hochfrequenzsignale die Fähigkeit des Simulators, Hochfrequenzsignale zu unterdrücken.Wenn in analogen Schaltkreisen keine Bypass-Kondensatoren verwendet werden, kann es zu Störungen im Signalpfad und in schwerwiegenderen Fällen sogar zu Vibrationen kommen.

Beim analogen und digitalen PCB-Design sollten Bypass- oder Entkopplungskondensatoren (0,1 uF) so nah wie möglich am Gerät platziert werden.Der Entkopplungskondensator (10uF) des Netzteils sollte am Stromleitungseingang der Platine platziert werden.In allen Fällen sollten die Pins dieser Kondensatoren relativ kurz sein.

Auf der in Abbildung 2 gezeigten Leiterplatte werden unterschiedliche Routen für die Verlegung der Strom- und Erdungskabel verwendet.Aufgrund dieser ungeeigneten Kombination ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass die elektronischen Komponenten und Schaltkreise auf der Leiterplatte durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt werden.

In Abbildung 3 liegen in diesem einzelnen Panel die Strom- und Erdungskabel der Geräte auf der Leiterplatte nahe beieinander.Das passende Verhältnis von Strom- und Erdungskabeln in dieser Leiterplatte ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Wahrscheinlichkeit, dass elektronische Komponenten und Schaltkreise in Leiterplatten durch elektromagnetische Störungen (EMI) beeinträchtigt werden, wird um das 679/12,8-fache oder etwa das 54-fache verringert.

Für digitale Geräte wie Controller und Prozessoren sind ebenfalls Entkopplungskondensatoren erforderlich, die Gründe sind jedoch unterschiedlich.Eine Funktion dieser Kondensatoren besteht darin, als „Miniatur“-Ladebank zu dienen.

In digitalen Schaltkreisen erfordert das Umschalten des Gate-Zustands typischerweise eine erhebliche Strommenge.Aufgrund des beim Schalten auf dem Chip erzeugten und durch die Leiterplatte fließenden Übergangsstroms ist es vorteilhaft, über zusätzliche „Backup“-Ladungen zu verfügen.Wenn während des Schaltvorgangs nicht genügend Ladung vorhanden ist, führt dies zu einer erheblichen Änderung der Versorgungsspannung.Wenn sich die Spannung zu stark ändert, kann dies dazu führen, dass der digitale Signalpegel in einen unsicheren Zustand übergeht und die Zustandsmaschine im digitalen Gerät wahrscheinlich nicht richtig funktioniert.

Der durch die Leiterplattenverkabelung fließende Schaltstrom führt zu einer Spannungsänderung und es entsteht eine parasitäre Induktivität in der Leiterplattenverkabelung.Die Spannungsänderung kann nach folgender Formel berechnet werden: V=LdI/dt.Darunter: V = Spannungsänderung, L = Impedanz der Leiterplattenverkabelung, dI = Änderung des durch die Verkabelung fließenden Stroms, dt = Zeit der Stromänderung.

Daher empfiehlt es sich aus verschiedenen Gründen, Bypass-Kondensatoren (oder Entkopplungskondensatoren) an der Stromversorgung oder an den Stromanschlüssen aktiver Geräte anzubringen.

Das Netzkabel und das Erdungskabel sollten zusammen verlegt werden

Eine gute Koordination zwischen Strom- und Erdungskabeln kann die Möglichkeit elektromagnetischer Störungen verringern.Wenn das Netzkabel und das Erdungskabel nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, entsteht eine Systemschleife, die wahrscheinlich zu Geräuschen führt.

Ein Beispiel für ein Leiterplattendesign mit falscher Abstimmung von Strom- und Erdungskabeln ist in Abbildung 2 dargestellt. Auf dieser Leiterplatte beträgt die geplante Schleifenfläche 697 cm ⊃2;.Durch die Verwendung der in Abbildung 3 gezeigten Methode kann die Wahrscheinlichkeit, dass abgestrahltes Rauschen auf oder außerhalb der Leiterplatte Spannung in der Schleife induziert, erheblich verringert werden.

02 Unterschiede in den Verkabelungsstrategien zwischen analogen und digitalen Domänen

Bodenniveau ist eine Herausforderung

Die Grundkenntnisse der Leiterplattenverdrahtung sind sowohl auf analoge als auch auf digitale Schaltungen anwendbar.Als Faustregel gilt die Verwendung einer ununterbrochenen Masseebene, die den dI/dt-Effekt (Strom über die Zeit) in digitalen Schaltkreisen reduziert, der das Massepotential verändert und dazu führt, dass Rauschen in analoge Schaltkreise gelangt.

Die Verdrahtungstechniken für digitale und analoge Schaltkreise sind bis auf eine Ausnahme grundsätzlich gleich.Bei analogen Schaltungen ist außerdem zu beachten, dass die digitale Signalleitung und die Schleife in der Masseebene so weit wie möglich von der analogen Schaltung entfernt sind.Dies kann erreicht werden, indem die analoge Erdungsebene separat mit dem Erdungsanschlussende des Systems verbunden wird oder indem der analoge Schaltkreis am äußersten Ende der Leiterplatte, dem Ende des Schaltkreises, platziert wird.Dies geschieht, um externe Störungen auf dem Signalpfad zu minimieren.

Bei digitalen Schaltungen ist dies nicht erforderlich.Digitale Schaltkreise vertragen problemlos große Mengen an Rauschen auf der Masseebene.

Abbildung 4 (links) isoliert die digitale Schaltfunktion vom analogen Schaltkreis und trennt den digitalen und den analogen Teil des Schaltkreises.(Rechts) Versuchen Sie, hohe und niedrige Frequenzen so weit wie möglich zu trennen, und die Hochfrequenzkomponenten sollten sich in der Nähe der Anschlüsse auf der Leiterplatte befinden.

Abbildung 5 zeigt zwei benachbarte Drähte auf der Leiterplatte, die leicht parasitäre Kapazitäten bilden können.Aufgrund des Vorhandenseins dieses Kondensators können schnelle Spannungsänderungen auf einer Leitung Stromsignale auf einer anderen Leitung erzeugen.

Wenn die Platzierung der Verkabelung in Abbildung 6 nicht ernst genommen wird, kann die Verkabelung in der Leiterplatte zu Leitungsinduktivität und Gegeninduktivität führen.Diese parasitäre Induktivität ist sehr schädlich für den Betrieb von Schaltkreisen, die digitale Schaltkreise enthalten.

Standort der Komponenten

Wie oben erwähnt, sollten bei jedem PCB-Design der Rauschteil und der „ruhige“ Teil (nicht rauschender Teil) der Schaltung getrennt werden.Im Allgemeinen sind digitale Schaltkreise rauschreich und unempfindlich gegenüber Rauschen (da digitale Schaltkreise eine große Spannungsrauschtoleranz aufweisen);Im Gegenteil, die Spannungsrauschtoleranz analoger Schaltungen ist viel geringer.

Von den beiden sind analoge Schaltkreise am empfindlichsten gegenüber Schaltrauschen.Bei der Verkabelung von Mixed-Signal-Systemen müssen diese beiden Schaltungsarten getrennt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Parasitäre Komponenten, die durch das PCB-Design entstehen

Es ist leicht, zwei grundlegende parasitäre Komponenten zu bilden, die beim PCB-Design Probleme verursachen können: parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität.

Wenn beim Entwurf einer Leiterplatte zwei Drähte nahe beieinander platziert werden, entsteht eine parasitäre Kapazität.Sie können dies tun: Platzieren Sie eine Routing-Linie übereinander auf verschiedenen Ebenen.Alternativ können Sie auf derselben Ebene eine Routing-Linie neben einer anderen Routing-Linie platzieren, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Bei diesen beiden Verdrahtungskonfigurationen kann die Spannungsschwankung über die Zeit (dV/dt) auf einer Verkabelung Strom auf der anderen Verkabelung erzeugen.Wenn die andere Leitung eine hohe Impedanz aufweist, wird der durch das elektrische Feld erzeugte Strom in Spannung umgewandelt.

Schnelle Spannungstransienten treten am häufigsten auf der digitalen Seite des analogen Signaldesigns auf.Wenn in der Verkabelung in der Nähe einer analogen Verkabelung mit hoher Impedanz ein schneller Spannungsstoß auftritt, beeinträchtigt dieser Fehler die Genauigkeit der analogen Schaltung erheblich.In dieser Umgebung haben analoge Schaltungen zwei Nachteile: Ihre Rauschtoleranz ist viel geringer als die digitaler Schaltungen;Verkabelungen mit hoher Impedanz sind weit verbreitet.

Mit einer der beiden folgenden Techniken kann dieses Phänomen verringert werden.Die am häufigsten verwendete Technik besteht darin, die Größe zwischen den Drähten basierend auf der Kapazitätsgleichung zu ändern.Die am effektivsten zu ändernde Größe ist der Abstand zwischen zwei Routinglinien.Es ist zu beachten, dass die Variable d im Nenner der Kapazitätsgleichung mit zunehmendem d abnimmt.Eine weitere Variable, die geändert werden kann, ist die Länge der beiden Drähte.In diesem Fall nimmt mit abnehmender Länge L auch die Kapazität zwischen den beiden Drähten ab.

Eine andere Technik besteht darin, zwischen diesen beiden Drähten ein Erdungskabel zu verlegen.Das Erdungskabel hat eine niedrige Impedanz und das Hinzufügen eines weiteren Kabels schwächt das störende elektrische Feld, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Das Prinzip der parasitären Induktivität in Leiterplatten ähnelt dem Prinzip der parasitären Kapazitätsbildung.Es geht auch darum, zwei Drähte zu verlegen, indem man einen Draht über den anderen auf verschiedenen Schichten legt;Alternativ können Sie auf derselben Ebene eine Routing-Linie neben einer anderen platzieren, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Bei diesen beiden Verkabelungskonfigurationen erzeugt die zeitliche Änderung des Stroms (dI/dt) in einer Verkabelung aufgrund der Induktivität dieser Verkabelung Spannung in derselben Verkabelung.Und aufgrund der Gegeninduktivität wird auf einer anderen Routing-Leitung ein proportionaler Strom erzeugt.Wenn die Spannungsänderung auf der ersten Leitung groß genug ist, können Störungen die Spannungstoleranz der digitalen Schaltung verringern und Fehler verursachen.Dieses Phänomen tritt nicht nur in digitalen Schaltkreisen auf, sondern kommt auch häufiger vor, da in digitalen Schaltkreisen ein großer momentaner Schaltstrom auftritt.

Um potenzielles Rauschen durch elektromagnetische Störquellen zu eliminieren, ist es am besten, leise analoge Schaltkreise von verrauschten I/O-Ports zu trennen.Um ein Strom- und Erdungsnetzwerk mit niedriger Impedanz zu erreichen, sollten Anstrengungen unternommen werden, um die Induktivität digitaler Schaltungsdrähte und die kapazitive Kopplung analoger Schaltungen zu minimieren.

03 Fazit

Nach der Festlegung des digitalen und analogen Bereichs ist eine sorgfältige Verkabelung entscheidend für eine erfolgreiche Leiterplatte.Verkabelungsstrategien werden in der Regel als empirische Richtlinien eingeführt, da es schwierig ist, den endgültigen Erfolg eines Produkts in einer Laborumgebung zu testen.Obwohl es Ähnlichkeiten in den Verdrahtungsstrategien digitaler und analoger Schaltkreise gibt, ist es dennoch wichtig, die Unterschiede in ihren Verdrahtungsstrategien zu erkennen und ernst zu nehmen.