La diferencia entre circuitos analógicos y digitales en el diseño de PCB

La diferencia entre circuitos analógicos y digitales en el diseño de PCB

El número de diseñadores digitales y expertos en diseño de placas de circuitos digitales en el campo de la ingeniería aumenta constantemente, lo que refleja la tendencia de desarrollo de la industria.Aunque el énfasis en el diseño digital ha traído un desarrollo significativo a los productos electrónicos, todavía existen, y seguirán existiendo, algunos diseños de circuitos que interactúan con entornos analógicos o del mundo real.Las estrategias de cableado en los campos analógico y digital tienen algunas similitudes, pero para lograr mejores resultados, el diseño de cableado de circuito simple ya no es la solución óptima debido a sus diferentes estrategias de cableado.

Este artículo analiza las similitudes y diferencias básicas entre el cableado analógico y digital en términos de condensadores de derivación, fuente de alimentación, diseño del cable de tierra, errores de voltaje e interferencia electromagnética (EMI) causada por el cableado de PCB.

01 Similitudes entre estrategias de cableado analógico y digital

Condensador de bypass o desacoplamiento

Al realizar el cableado, tanto los dispositivos analógicos como los digitales requieren este tipo de condensadores, que deben conectarse a un condensador cerca de su pin de alimentación.Este valor de capacitancia suele ser 0,1 uF.El lado de la fuente de alimentación del sistema requiere otro tipo de condensador, generalmente con un valor de aproximadamente 10uF.

Las posiciones de estos capacitores se muestran en la Figura 1. El rango de capacitancia está entre 1/10 y 10 veces el valor recomendado.Pero los pines deben ser cortos y lo más cerca posible del dispositivo (para condensadores de 0,1uF) o de la fuente de alimentación (para condensadores de 10uF).

Agregar condensadores de derivación o desacoplamiento en una placa de circuito, así como la ubicación de estos condensadores en la placa, es de conocimiento común tanto para diseños digitales como analógicos.Pero, curiosamente, las razones son diferentes.

En el diseño de cableado analógico, los condensadores de derivación se suelen utilizar para señales de alta frecuencia en la fuente de alimentación de derivación.Si no se agregan condensadores de derivación, estas señales de alta frecuencia pueden ingresar a chips analógicos sensibles a través de los pines de la fuente de alimentación.En términos generales, la frecuencia de estas señales de alta frecuencia excede la capacidad del simulador para suprimir señales de alta frecuencia.Si no se utilizan condensadores de derivación en circuitos analógicos, se puede introducir ruido en la ruta de la señal y, en casos más graves, incluso puede provocar vibraciones.

En el diseño de PCB analógico y digital, los condensadores de derivación o desacoplamiento (0,1 uF) deben colocarse lo más cerca posible del dispositivo.El condensador de desacoplamiento (10uF) de la fuente de alimentación debe colocarse en la entrada de la línea de alimentación de la placa de circuito.En todos los casos, los pines de estos condensadores deben ser relativamente cortos.

En la placa de circuito que se muestra en la Figura 2, se utilizan diferentes rutas para encaminar los cables de alimentación y de tierra.Debido a esta combinación inapropiada, es más probable que los componentes electrónicos y los circuitos de la placa de circuito se vean afectados por interferencias electromagnéticas.

En la Figura 3, en este panel único, los cables de alimentación y de tierra de los dispositivos en la placa de circuito están cerca uno del otro.La relación de coincidencia de los cables de alimentación y de tierra en esta placa de circuito es apropiada en la Figura 2. La probabilidad de que los componentes y circuitos electrónicos de las placas de circuito se vean afectados por interferencias electromagnéticas (EMI) se reduce en 679/12,8 veces o aproximadamente 54 veces.

Para dispositivos digitales como controladores y procesadores, también se requieren condensadores de desacoplamiento, pero los motivos son diferentes.Una función de estos condensadores es servir como un banco de carga en 'miniatura'.

En los circuitos digitales, cambiar los estados de las puertas normalmente requiere una cantidad significativa de corriente.Debido a la corriente transitoria generada en el chip durante la conmutación y que fluye a través de la placa de circuito, es ventajoso tener cargas de 'respaldo' adicionales.Si no hay suficiente carga durante la acción del interruptor, se producirá un cambio significativo en el voltaje de la fuente de alimentación.Si el voltaje cambia demasiado, puede hacer que el nivel de la señal digital entre en un estado incierto y es probable que la máquina de estado del dispositivo digital funcione incorrectamente.

La corriente del interruptor que fluye a través del cableado de la placa de circuito provocará un cambio de voltaje y habrá inductancia parásita en el cableado de la placa de circuito.El cambio de voltaje se puede calcular usando la siguiente fórmula: V=LdI/dt.Entre ellos: V=cambio de voltaje, L=impedancia del cableado de la placa de circuito, dI=cambio de corriente que fluye a través del cableado, dt=tiempo de cambio de corriente.

Por lo tanto, por diversas razones, es una buena práctica aplicar condensadores de derivación (o desacoplamiento) en la fuente de alimentación o en los pines de alimentación de los dispositivos activos.

El cable de alimentación y el cable de tierra deben tenderse juntos

Una buena coordinación entre los cables de alimentación y de tierra puede reducir la posibilidad de interferencias electromagnéticas.Si el cable de alimentación y el cable de tierra no coinciden correctamente, se diseñará un bucle del sistema y es probable que produzca ruido.

En la Figura 2 se muestra un ejemplo de diseño de PCB con una coincidencia inadecuada de los cables de alimentación y de tierra. En esta placa de circuito, el área del bucle diseñada es de 697 cm. ⊃2;.Al utilizar el método que se muestra en la Figura 3, se puede reducir considerablemente la probabilidad de que el ruido irradiado dentro o fuera de la placa de circuito induzca voltaje en el bucle.

02 Diferencias en las estrategias de cableado entre los dominios analógico y digital

El nivel del suelo es un desafío

El conocimiento básico del cableado de placas de circuito es aplicable tanto a circuitos analógicos como digitales.Una regla básica es utilizar un plano de tierra ininterrumpido, lo que reduce el efecto dI/dt (corriente en el tiempo) en los circuitos digitales, lo que cambia el potencial de tierra y provoca que entre ruido en los circuitos analógicos.

Las técnicas de cableado para circuitos digitales y analógicos son básicamente las mismas, con una excepción.Para los circuitos analógicos, otro punto a tener en cuenta es mantener la línea de señal digital y el bucle en el plano de tierra lo más lejos posible del circuito analógico.Esto se puede lograr conectando el plano de tierra analógico por separado al extremo de conexión a tierra del sistema, o colocando el circuito analógico en el extremo más alejado de la placa de circuito, que es el final del circuito.Esto se hace para minimizar la interferencia externa en la ruta de la señal.

Para circuitos digitales esto no es necesario.Los circuitos digitales pueden tolerar una gran cantidad de ruido en el plano de tierra sin ningún problema.

La Figura 4 (izquierda) aísla la acción del interruptor digital del circuito analógico, separando las partes digital y analógica del circuito.(Derecha) Intente separar las frecuencias altas y bajas tanto como sea posible, y los componentes de alta frecuencia deben estar cerca de los conectores de la placa de circuito.

La Figura 5 muestra dos cables adyacentes en la PCB, que pueden formar fácilmente capacitancia parásita.Debido a la presencia de este condensador, los cambios rápidos de voltaje en una línea pueden generar señales de corriente en otra línea.

Si no se toma en serio la ubicación del cableado en la Figura 6, el cableado en la PCB puede producir inductancia de línea e inductancia mutua.Esta inductancia parásita es muy perjudicial para el funcionamiento de circuitos que contienen circuitos de conmutación digitales.

Ubicación de los componentes

Como se mencionó anteriormente, en cada diseño de PCB, la parte ruidosa y la parte 'silenciosa' (parte sin ruido) del circuito deben estar separadas.En términos generales, los circuitos digitales son ricos en ruido y no son sensibles al ruido (porque los circuitos digitales tienen una gran tolerancia al ruido de voltaje);Por el contrario, la tolerancia al ruido de voltaje de los circuitos analógicos es mucho menor.

Entre los dos, los circuitos analógicos son los más sensibles al ruido de conmutación.En el cableado de sistemas de señal mixta, estos dos tipos de circuitos deben separarse, como se muestra en la Figura 4.

Componentes parásitos generados por el diseño de PCB

Es fácil formar dos componentes parásitos básicos que pueden causar problemas en el diseño de PCB: capacitancia parásita e inductancia parásita.

Al diseñar una placa de circuito, colocar dos cables uno cerca del otro generará capacitancia parásita.Puede hacer esto: coloque una línea de enrutamiento encima de la otra en diferentes capas;Alternativamente, en la misma capa, coloque una línea de enrutamiento al lado de otra línea de enrutamiento, como se muestra en la Figura 5.

En estas dos configuraciones de cableado, la variación de voltaje en el tiempo (dV/dt) en un cableado puede generar corriente en el otro cableado.Si la otra línea tiene alta impedancia, la corriente generada por el campo eléctrico se convertirá en voltaje.

Los transitorios de voltaje rápidos ocurren más comúnmente en el lado digital del diseño de señales analógicas.Si se produce un transitorio de voltaje rápido en el cableado cerca de un cableado analógico de alta impedancia, este error afectará seriamente la precisión del circuito analógico.En este entorno, los circuitos analógicos tienen dos desventajas: su tolerancia al ruido es mucho menor que la de los circuitos digitales;El cableado de alta impedancia es bastante común.

El uso de una de las dos técnicas siguientes puede reducir este fenómeno.La técnica más utilizada es cambiar el tamaño entre los cables según la ecuación de capacitancia.El tamaño más eficaz para cambiar es la distancia entre dos líneas de enrutamiento.Cabe señalar que la variable d en el denominador de la ecuación de capacitancia disminuirá a medida que d aumente.Otra variable que se puede cambiar es la longitud de los dos cables.En este caso, a medida que disminuye la longitud L, la capacitancia entre los dos cables también disminuirá.

Otra técnica consiste en tender un cable a tierra entre estos dos cables.El cable de tierra tiene baja impedancia y agregar otro cable debilitará el campo eléctrico de interferencia, como se muestra en la Figura 5.

El principio de inductancia parásita en las placas de circuito es similar al principio de formación de capacitancia parásita.También es tender dos alambres, colocando un alambre encima del otro en diferentes capas;Alternativamente, en la misma capa, coloque una línea de enrutamiento al lado de otra, como se muestra en la Figura 6.

En estas dos configuraciones de cableado, la variación de la corriente en el tiempo (dI/dt) en un cableado generará tensión en el mismo cableado debido a la inductancia de este cableado;Y debido a la presencia de inductancia mutua, se generará una corriente proporcional en otra línea de ruta.Si el cambio de voltaje en la primera línea es lo suficientemente significativo, la interferencia puede reducir la tolerancia de voltaje del circuito digital y causar errores.Este fenómeno no sólo ocurre en los circuitos digitales, sino que es más común en los circuitos digitales porque hay una gran corriente de conmutación instantánea en los circuitos digitales.

Para eliminar el ruido potencial de fuentes de interferencia electromagnética, es mejor separar los circuitos analógicos silenciosos de los puertos de E/S ruidosos.Para lograr una red de tierra y alimentación de baja impedancia, se deben hacer esfuerzos para minimizar la inductancia de los cables del circuito digital y minimizar el acoplamiento de capacitancia de los circuitos analógicos.

03 Conclusión

Después de determinar el rango digital y analógico, un cableado cuidadoso es crucial para lograr una PCB exitosa.Las estrategias de cableado suelen introducirse como directrices empíricas porque es difícil probar el éxito final de un producto en un entorno de laboratorio.Por lo tanto, aunque existen similitudes en las estrategias de cableado de los circuitos digitales y analógicos, sigue siendo importante reconocer y tomar en serio las diferencias en sus estrategias de cableado.