A diferença entre circuitos analógicos e digitais no design de PCB

A diferença entre circuitos analógicos e digitais no design de PCB

O número de designers digitais e especialistas em design de placas de circuito digital na área de engenharia está aumentando constantemente, o que reflete a tendência de desenvolvimento da indústria.Embora a ênfase no design digital tenha trazido um desenvolvimento significativo aos produtos eletrônicos, ainda existem, e continuarão a existir, alguns projetos de circuitos que fazem interface com ambientes analógicos ou do mundo real.As estratégias de fiação nos campos analógico e digital têm algumas semelhanças, mas para obter melhores resultados, o design simples da fiação do circuito não é mais a solução ideal devido às suas diferentes estratégias de fiação.

Este artigo discute as semelhanças e diferenças básicas entre a fiação analógica e digital em termos de capacitores de bypass, fonte de alimentação, design do fio terra, erros de tensão e interferência eletromagnética (EMI) causada pela fiação da PCB.

01 Semelhanças entre estratégias de cabeamento analógico e digital

Bypass ou capacitor de desacoplamento

Ao fazer a fiação, tanto os dispositivos analógicos quanto os digitais exigem esses tipos de capacitores, que precisam ser conectados a um capacitor próximo ao pino de alimentação.Este valor de capacitância é geralmente 0,1uF.O lado da fonte de alimentação do sistema requer outro tipo de capacitor, geralmente com valor de aproximadamente 10uF.

As posições desses capacitores são mostradas na Figura 1. A faixa de capacitância está entre 1/10 e 10 vezes o valor recomendado.Mas os pinos devem ser curtos e o mais próximo possível do dispositivo (para capacitores de 0,1uF) ou da fonte de alimentação (para capacitores de 10uF).

Adicionar capacitores de bypass ou desacoplamento em uma placa de circuito, bem como a localização desses capacitores na placa, é de conhecimento comum para projetos digitais e analógicos.Mas, curiosamente, as razões são diferentes.

No projeto de fiação analógica, os capacitores de bypass são geralmente usados ​​para sinais de alta frequência na fonte de alimentação de bypass.Se capacitores de bypass não forem adicionados, esses sinais de alta frequência poderão entrar em chips analógicos sensíveis através dos pinos da fonte de alimentação.De modo geral, a frequência desses sinais de alta frequência excede a capacidade do simulador de suprimir sinais de alta frequência.Se capacitores de bypass não forem usados ​​em circuitos analógicos, poderá ser introduzido ruído no caminho do sinal e, em casos mais graves, poderá até causar vibração.

No projeto de PCB analógica e digital, os capacitores de bypass ou desacoplamento (0,1uF) devem ser colocados o mais próximo possível do dispositivo.O capacitor de desacoplamento (10uF) da fonte de alimentação deve ser colocado na entrada da linha de alimentação da placa de circuito.Em todos os casos, os pinos destes capacitores devem ser relativamente curtos.

Na placa de circuito mostrada na Figura 2, diferentes rotas são usadas para direcionar os fios de alimentação e terra.Devido a esta combinação inadequada, os componentes eletrônicos e circuitos da placa de circuito têm maior probabilidade de serem afetados por interferência eletromagnética.

Na Figura 3, neste painel único, os fios de alimentação e terra dos dispositivos da placa de circuito estão próximos um do outro.A relação de correspondência dos fios de alimentação e terra nesta placa de circuito é apropriada na Figura 2. A probabilidade de componentes eletrônicos e circuitos em placas de circuito serem afetados por interferência eletromagnética (EMI) é reduzida em 679/12,8 vezes ou aproximadamente 54 vezes.

Para dispositivos digitais como controladores e processadores, também são necessários capacitores de desacoplamento, mas os motivos são diferentes.Uma função desses capacitores é servir como um banco de carga “em miniatura”.

Em circuitos digitais, a comutação dos estados da porta normalmente requer uma quantidade significativa de corrente.Devido à corrente transitória gerada no chip durante a comutação e fluindo através da placa de circuito, é vantajoso ter cargas adicionais de “reserva”.Se não houver carga suficiente durante a ação da chave, isso causará uma mudança significativa na tensão da fonte de alimentação.Se a tensão mudar muito, pode fazer com que o nível do sinal digital entre em um estado incerto e é provável que a máquina de estado no dispositivo digital opere incorretamente.

A corrente do interruptor que flui através da fiação da placa de circuito causará uma mudança na tensão e haverá indutância parasita na fiação da placa de circuito.A mudança de tensão pode ser calculada usando a seguinte fórmula: V=LdI/dt.Entre eles: V=mudança na tensão, L=impedância da fiação da placa de circuito, dI=mudança na corrente que flui pela fiação, dt=tempo de mudança de corrente.

Portanto, por vários motivos, é uma boa prática aplicar capacitores de bypass (ou desacoplamento) na fonte de alimentação ou nos pinos de alimentação dos dispositivos ativos.

O cabo de alimentação e o fio terra devem ser colocados juntos

Uma boa coordenação entre os fios de alimentação e terra pode reduzir a possibilidade de interferência eletromagnética.Se o cabo de alimentação e o fio terra não corresponderem corretamente, um loop do sistema será projetado e provavelmente produzirá ruído.

Um exemplo de projeto de PCB com correspondência inadequada de fios de alimentação e aterramento é mostrado na Figura 2. Nesta placa de circuito, a área de loop projetada é de 697 cm. ⊃2;.Usando o método mostrado na Figura 3, a probabilidade de ruído irradiado dentro ou fora da placa de circuito induzindo tensão no circuito pode ser bastante reduzida.

02 Diferenças nas estratégias de fiação entre domínios analógicos e digitais

O nível do solo é um desafio

O conhecimento básico da fiação da placa de circuito é aplicável a circuitos analógicos e digitais.Uma regra básica é usar um plano de terra ininterrupto, o que reduz o efeito dI/dt (corrente ao longo do tempo) em circuitos digitais, que altera o potencial de terra e faz com que o ruído entre nos circuitos analógicos.

As técnicas de fiação para circuitos digitais e analógicos são basicamente as mesmas, com uma exceção.Para circuitos analógicos, outro ponto a ser observado é manter a linha do sinal digital e o loop no plano de aterramento o mais distante possível do circuito analógico.Isto pode ser conseguido conectando o plano de aterramento analógico separadamente à extremidade de conexão de aterramento do sistema ou colocando o circuito analógico na extremidade mais distante da placa de circuito, que é a extremidade do circuito.Isso é feito para minimizar a interferência externa no caminho do sinal.

Para circuitos digitais isto não é necessário.Os circuitos digitais podem tolerar uma grande quantidade de ruído no plano de terra sem problemas.

A Figura 4 (esquerda) isola a ação da chave digital do circuito analógico, separando as partes digital e analógica do circuito.(Direita) Tente separar as frequências altas e baixas tanto quanto possível, e os componentes de alta frequência devem estar próximos aos conectores na placa de circuito.

A Figura 5 mostra dois fios adjacentes na PCB, que podem facilmente formar capacitância parasita.Devido à presença deste capacitor, mudanças rápidas de tensão em uma linha podem gerar sinais de corrente em outra linha.

Se a colocação da fiação na Figura 6 não for levada a sério, a fiação na PCB poderá produzir indutância de linha e indutância mútua.Esta indutância parasita é muito prejudicial ao funcionamento de circuitos contendo circuitos de comutação digital.

Localização dos componentes

Conforme mencionado acima, em cada projeto de PCB, a parte com ruído e a parte 'silenciosa' (parte sem ruído) do circuito devem ser separadas.De modo geral, os circuitos digitais são ricos em ruído e não são sensíveis ao ruído (porque os circuitos digitais têm uma grande tolerância ao ruído de tensão);Pelo contrário, a tolerância ao ruído de tensão dos circuitos analógicos é muito menor.

Entre os dois, os circuitos analógicos são os mais sensíveis ao ruído de comutação.Na fiação de sistemas de sinais mistos, esses dois tipos de circuitos precisam ser separados, conforme mostra a Figura 4.

Componentes parasitas gerados pelo design de PCB

É fácil formar dois componentes parasitas básicos que podem causar problemas no projeto de PCB: capacitância parasita e indutância parasita.

Ao projetar uma placa de circuito, colocar dois fios próximos um do outro gerará capacitância parasita.Você pode fazer isso: coloque uma linha de roteamento acima da outra em camadas diferentes;Alternativamente, na mesma camada, coloque uma linha de roteamento próxima a outra linha de roteamento, conforme mostrado na Figura 5.

Nessas duas configurações de fiação, a variação da tensão ao longo do tempo (dV/dt) em uma fiação pode gerar corrente na outra fiação.Se a outra linha tiver alta impedância, a corrente gerada pelo campo elétrico será convertida em tensão.

Transientes rápidos de tensão ocorrem mais comumente no lado digital do projeto de sinal analógico.Se ocorrer um transitório de tensão rápido na fiação próxima a uma fiação analógica de alta impedância, esse erro afetará seriamente a precisão do circuito analógico.Neste ambiente, os circuitos analógicos apresentam duas desvantagens: sua tolerância ao ruído é muito menor que a dos circuitos digitais;Fiação de alta impedância é bastante comum.

Usar uma das duas técnicas a seguir pode reduzir esse fenômeno.A técnica mais comumente usada é alterar o tamanho entre os fios com base na equação de capacitância.O tamanho mais eficaz a ser alterado é a distância entre duas linhas de roteamento.Deve-se notar que a variável d no denominador da equação de capacitância diminuirá à medida que d aumenta.Outra variável que pode ser alterada é o comprimento dos dois fios.Neste caso, à medida que o comprimento L diminui, a capacitância entre os dois fios também diminuirá.

Outra técnica é colocar um fio terra entre esses dois fios.O fio terra tem baixa impedância e a adição de outro fio enfraquecerá o campo elétrico interferente, conforme mostrado na Figura 5.

O princípio da indutância parasita em placas de circuito é semelhante ao princípio da formação de capacitância parasita.É também colocar dois fios, colocando um fio acima do outro em camadas diferentes;Alternativamente, na mesma camada, coloque uma linha de roteamento próxima a outra, conforme mostrado na Figura 6.

Nessas duas configurações de fiação, a variação da corrente ao longo do tempo (dI/dt) em uma fiação gerará tensão na mesma fiação devido à indutância desta fiação;E devido à presença de indutância mútua, uma corrente proporcional será gerada em outra linha de roteamento.Se a mudança de tensão na primeira linha for suficientemente significativa, a interferência poderá reduzir a tolerância de tensão do circuito digital e causar erros.Este fenômeno não ocorre apenas em circuitos digitais, mas é mais comum em circuitos digitais porque existe uma grande corrente de comutação instantânea em circuitos digitais.

Para eliminar ruído potencial de fontes de interferência eletromagnética, é melhor separar circuitos analógicos silenciosos de portas de E/S barulhentas.Para obter uma rede de energia e aterramento de baixa impedância, esforços devem ser feitos para minimizar a indutância dos fios do circuito digital e minimizar o acoplamento de capacitância dos circuitos analógicos.

03 Conclusão

Depois de determinar a faixa digital e analógica, a fiação cuidadosa é crucial para obter uma PCB bem-sucedida.As estratégias de cabeamento são geralmente introduzidas como diretrizes empíricas porque é difícil testar o sucesso final de um produto em um ambiente de laboratório.Portanto, embora existam semelhanças nas estratégias de fiação dos circuitos digitais e analógicos, ainda é importante reconhecer e levar a sério as diferenças nas suas estratégias de fiação.