La différence entre les circuits analogiques et numériques dans la conception de PCB

La différence entre les circuits analogiques et numériques dans la conception de PCB

Le nombre de concepteurs numériques et d'experts en conception de circuits imprimés numériques dans le domaine de l'ingénierie est en constante augmentation, ce qui reflète la tendance de développement de l'industrie.Bien que l'accent mis sur la conception numérique ait apporté un développement significatif aux produits électroniques, il existe toujours, et continuera d'exister, certaines conceptions de circuits qui s'interfacent avec des environnements analogiques ou réels.Les stratégies de câblage dans les domaines analogique et numérique présentent certaines similitudes, mais pour obtenir de meilleurs résultats, une conception de câblage simple n'est plus la solution optimale en raison de leurs différentes stratégies de câblage.

Cet article traite des similitudes et des différences fondamentales entre le câblage analogique et numérique en termes de condensateurs de dérivation, d'alimentation, de conception du fil de terre, d'erreurs de tension et d'interférences électromagnétiques (EMI) causées par le câblage du PCB.

01 Similitudes entre les stratégies de câblage analogique et numérique

Condensateur de dérivation ou de découplage

Lors du câblage, les appareils analogiques et numériques nécessitent ce type de condensateurs, qui doivent être connectés à un condensateur près de sa broche d'alimentation.Cette valeur de capacité est généralement de 0,1 uF.Le côté alimentation du système nécessite un autre type de condensateur, généralement d'une valeur d'environ 10 uF.

Les positions de ces condensateurs sont indiquées sur la figure 1. La plage de capacité est comprise entre 1/10 et 10 fois la valeur recommandée.Mais les broches doivent être courtes et aussi proches que possible de l'appareil (pour les condensateurs 0,1uF) ou de l'alimentation (pour les condensateurs 10uF).

L'ajout de condensateurs de dérivation ou de découplage sur une carte de circuit imprimé, ainsi que l'emplacement de ces condensateurs sur la carte, sont de notoriété publique pour les conceptions numériques et analogiques.Mais il est intéressant de noter que les raisons sont différentes.

Dans la conception de câblage analogique, les condensateurs de dérivation sont généralement utilisés pour les signaux haute fréquence sur l'alimentation de dérivation.Si des condensateurs de dérivation ne sont pas ajoutés, ces signaux haute fréquence peuvent pénétrer dans les puces analogiques sensibles via les broches d'alimentation.D’une manière générale, la fréquence de ces signaux haute fréquence dépasse la capacité du simulateur à supprimer les signaux haute fréquence.Si des condensateurs de dérivation ne sont pas utilisés dans les circuits analogiques, du bruit peut être introduit dans le chemin du signal et, dans les cas plus graves, cela peut même provoquer des vibrations.

Dans la conception de circuits imprimés analogiques et numériques, les condensateurs de dérivation ou de découplage (0,1 uF) doivent être placés aussi près que possible de l'appareil.Le condensateur de découplage (10uF) de l'alimentation doit être placé à l'entrée de la ligne électrique du circuit imprimé.Dans tous les cas, les broches de ces condensateurs doivent être relativement courtes.

Sur le circuit imprimé illustré à la figure 2, différents itinéraires sont utilisés pour acheminer les fils d'alimentation et de terre.En raison de cette combinaison inappropriée, les composants électroniques et les circuits du circuit imprimé sont plus susceptibles d'être affectés par les interférences électromagnétiques.

Sur la figure 3, dans ce panneau unique, les fils d'alimentation et de terre des appareils sur le circuit imprimé sont proches les uns des autres.Le rapport d'adaptation des fils d'alimentation et de terre dans ce circuit imprimé est approprié dans la figure 2. La probabilité que les composants et circuits électroniques des circuits imprimés soient affectés par des interférences électromagnétiques (EMI) est réduite de 679/12,8 fois, soit environ 54 fois.

Pour les appareils numériques tels que les contrôleurs et les processeurs, des condensateurs de découplage sont également nécessaires, mais les raisons sont différentes.L'une des fonctions de ces condensateurs est de servir de banque de charge « miniature ».

Dans les circuits numériques, la commutation des états de porte nécessite généralement une quantité importante de courant.En raison du courant transitoire généré sur la puce lors de la commutation et circulant à travers le circuit imprimé, il est avantageux d'avoir des charges de « secours » supplémentaires.S'il n'y a pas assez de charge pendant l'action du commutateur, cela entraînera un changement significatif dans la tension d'alimentation.Si la tension change trop, le niveau du signal numérique peut entrer dans un état incertain et il est probable que la machine à états de l'appareil numérique fonctionne incorrectement.

Le courant de commutation circulant à travers le câblage du circuit imprimé provoquera un changement de tension et il y aura une inductance parasite dans le câblage du circuit imprimé.Le changement de tension peut être calculé à l'aide de la formule suivante : V=LdI/dt.Parmi eux : V = changement de tension, L = impédance du câblage du circuit imprimé, dI = changement du courant circulant à travers le câblage, dt = temps de changement de courant.

Par conséquent, pour diverses raisons, il est recommandé d'appliquer des condensateurs de dérivation (ou de découplage) au niveau de l'alimentation ou des broches d'alimentation des dispositifs actifs.

Le cordon d'alimentation et le fil de terre doivent être posés ensemble

Une bonne coordination entre les fils d'alimentation et de terre peut réduire le risque d'interférence électromagnétique.Si le cordon d'alimentation et le fil de terre ne correspondent pas correctement, une boucle système sera conçue et elle produira probablement du bruit.

Un exemple de conception de PCB avec une mauvaise correspondance des fils d'alimentation et de terre est présenté dans la figure 2. Sur ce circuit imprimé, la zone de boucle conçue est de 697 cm. ⊃2;.En utilisant la méthode illustrée à la figure 3, la probabilité qu'un bruit rayonné sur ou à l'extérieur du circuit imprimé induise une tension dans la boucle peut être considérablement réduite.

02 Différences de stratégies de câblage entre les domaines analogiques et numériques

Le niveau du sol est un défi

Les connaissances de base du câblage des circuits imprimés sont applicables aux circuits analogiques et numériques.Une règle de base consiste à utiliser un plan de masse ininterrompu, ce qui réduit l'effet dI/dt (courant dans le temps) dans les circuits numériques, ce qui modifie le potentiel de terre et provoque l'entrée de bruit dans les circuits analogiques.

Les techniques de câblage des circuits numériques et analogiques sont fondamentalement les mêmes, à une exception près.Pour les circuits analogiques, un autre point à noter est de maintenir la ligne de signal numérique et la boucle dans le plan de masse aussi loin que possible du circuit analogique.Ceci peut être réalisé en connectant le plan de masse analogique séparément à l'extrémité de connexion à la terre du système, ou en plaçant le circuit analogique à l'extrémité la plus éloignée du circuit imprimé, qui est l'extrémité du circuit.Ceci est fait pour minimiser les interférences externes sur le chemin du signal.

Pour les circuits numériques, cela n'est pas nécessaire.Les circuits numériques peuvent tolérer sans problème une grande quantité de bruit sur le plan de masse.

La figure 4 (à gauche) isole l'action du commutateur numérique du circuit analogique, séparant les parties numériques et analogiques du circuit.(À droite) Essayez de séparer les hautes et basses fréquences autant que possible, et les composants haute fréquence doivent être proches des connecteurs du circuit imprimé.

La figure 5 montre deux fils adjacents sur le PCB, qui peuvent facilement former une capacité parasite.En raison de la présence de ce condensateur, des changements rapides de tension sur une ligne peuvent générer des signaux de courant sur une autre ligne.

Si l'emplacement du câblage dans la figure 6 n'est pas pris au sérieux, le câblage dans le PCB peut produire une inductance de ligne et une inductance mutuelle.Cette inductance parasite est très néfaste au fonctionnement des circuits contenant des circuits de commutation numérique.

Emplacement des composants

Comme mentionné ci-dessus, dans chaque conception de PCB, la partie bruyante et la partie « silencieuse » (partie non bruyante) du circuit doivent être séparées.D'une manière générale, les circuits numériques sont riches en bruit et ne sont pas sensibles au bruit (car les circuits numériques ont une grande tolérance au bruit de tension) ;Au contraire, la tolérance au bruit de tension des circuits analogiques est beaucoup plus faible.

Parmi les deux, les circuits analogiques sont les plus sensibles au bruit de commutation.Dans le câblage des systèmes de signaux mixtes, ces deux types de circuits doivent être séparés, comme le montre la figure 4.

Composants parasites générés par la conception des PCB

Il est facile de former deux composants parasites de base qui peuvent poser des problèmes dans la conception des PCB : la capacité parasite et l'inductance parasite.

Lors de la conception d’un circuit imprimé, placer deux fils proches l’un de l’autre générera une capacité parasite.Vous pouvez faire ceci : placer une ligne de routage au-dessus de l'autre sur différentes couches ;Vous pouvez également, sur le même calque, placer une ligne de routage à côté d’une autre ligne de routage, comme illustré dans la figure 5.

Dans ces deux configurations de câblage, la variation de tension dans le temps (dV/dt) sur un câblage peut générer du courant sur l'autre câblage.Si l’autre ligne a une impédance élevée, 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 des signaux analogiques.Si un transitoire de tension rapide se produit dans le câblage à proximité d'un câblage analogique à haute impédance, cette erreur affectera sérieusement la précision du circuit analogique.Dans cet environnement, les circuits analogiques présentent deux inconvénients : leur tolérance au bruit est bien inférieure à celle des circuits numériques ;Le câblage à haute impédance est assez courant.

L’utilisation de l’une des deux techniques suivantes peut réduire ce phénomène.La technique la plus couramment utilisée consiste à modifier la taille entre les fils en fonction de l'équation de capacité.La taille la plus efficace à modifier est la distance entre deux lignes de routage.Il convient de noter que la variable d dans le dénominateur de l'équation de capacité diminuera à mesure que d augmente.Une autre variable pouvant être modifiée est la longueur des deux fils.Dans ce cas, à mesure que la longueur L diminue, la capacité entre les deux fils diminuera également.

Une autre technique consiste à poser un fil de terre entre ces deux fils.Le fil de terre a une faible impédance et l'ajout d'un autre fil affaiblira le champ électrique interférent, comme le montre la figure 5.

Le principe de l'inductance parasite dans les circuits imprimés est similaire au principe de formation de capacité parasite.Il s'agit également de poser deux fils, en plaçant un fil au-dessus de l'autre sur des couches différentes ;Vous pouvez également, sur le même calque, placer une ligne de routage à côté d’une autre, comme illustré dans la figure 6.

Dans ces deux configurations de câblage, la variation du courant dans le temps (dI/dt) sur un câblage va générer une tension sur le même câblage en raison de l'inductance de ce câblage ;Et en raison de la présence d'une inductance mutuelle, un courant proportionnel sera généré sur une autre ligne de routage.Si le changement de tension sur la première ligne est suffisamment important, des interférences peuvent réduire la tolérance de tension du circuit numérique et provoquer des erreurs.Ce phénomène ne se produit pas uniquement dans les circuits numériques, mais il est plus fréquent dans les circuits numériques car il existe un courant de commutation instantané important dans les circuits numériques.

Pour éliminer le bruit potentiel provenant des sources d'interférences électromagnétiques, il est préférable de séparer les circuits analogiques silencieux des ports d'E/S bruyants.Pour obtenir un réseau d'alimentation et de terre à faible impédance, des efforts doivent être faits pour minimiser l'inductance des fils des circuits numériques et minimiser le couplage capacitif des circuits analogiques.

03Conclusion

Après avoir déterminé la plage numérique et analogique, un câblage minutieux est crucial pour obtenir un PCB réussi.Les stratégies de câblage sont généralement présentées à titre de lignes directrices empiriques car il est difficile de tester le succès final d'un produit dans un environnement de laboratoire.Par conséquent, même s’il existe des similitudes dans les stratégies de câblage des circuits numériques et analogiques, il est toujours important de reconnaître et de prendre au sérieux les différences dans leurs stratégies de câblage.