نحوه رسیدگی به مسیر بازگشت فعلی برای یکپارچگی بهتر سیگنال

قبل از شروع مقاله امروز ، باید چیزی در ذهن شما حک شود. اگر برخی از جریان ها در جایی بیرون بروند ، همیشه به منبع باز می گردد ، بدون استثنا. از این رو ، همیشه یک حلقه فعلی ، یک مسیر بازگشت جریان ، همراه با آثار فعلی حمل وجود دارد.

قبل از شروع مقاله امروز ، باید چیزی در ذهن شما حک شود. اگر برخی از جریان ها در جایی بیرون بروند ، همیشه به منبع باز می گردد ، بدون استثنا. از این رو ، همیشه یک حلقه فعلی ، یک مسیر بازگشت جریان ، همراه با آثار فعلی حمل وجود دارد.

بنابراین ، جریان اهمیتی ندارد که آیا آن مسیر بازگشت را ارائه می دهید. این خود را پیدا خواهد کرد. اما اگر این کار را نکنید ، ضمن پیدا کردن راه بازگشت ، با کل مدار شما دخالت می کند و به هم می پیوندد.

راهنمای طراحی PCB با سرعت بالا

چه چیزی در داخل است:

• توضیحات مربوط به یکپارچگی سیگنال
• درک خطوط انتقال و امپدانس کنترل شده
• فرآیند انتخاب مواد PCB با سرعت بالا
• دستورالعمل های طرح بندی پر سرعت

اکنون بارگیری کن

مسیر بازگشت فعلی چیست؟

مسیر بازگشت جریان چیزی نیست جز مسیری که هنگام بازگشت به منبع دنبال می شود. آیا به یاد دارید مدار الکتریکی چیست؟این مسیری است که از طریق آن الکترون ها از یک ولتاژ یا منبع جریان جریان می یابند."منبع" الکترون ها نقطه ای است که آنها وارد مدار می شوند. و نقطه ای که الکترون ها یک مدار الکتریکی را ترک می کنند "بازگشت" یا "زمین" نامیده می شود. از آنجا که الکترون ها همیشه هنگام تکمیل مسیر مدار خود به منبع ختم می شوند ، ما آن نقطه خروج را "بازگشت" می نامیم.

چرا بازگشت فعلی؟

بازده فعلی به دلیل اصل هزینه و صرفه جویی در انرژی. فرض کنید جریان به منبع برنگردد. بعد چی؟این اتهام هنوز در جایی ساخته خواهد شد. بیش از هزینه (+) در یک مکان و هزینه اضافی (-) در جایی دیگر وجود خواهد داشت. این آشفتگی باعث ایجاد اختلافات احتمالی می شود که به نوبه خود جریان جریان را به عقب می اندازد. آیا قانون Kirchhoff (قانون اول) را به خاطر دارید؟

کتاب الکترونیکی سیگنال

چه چیزی در داخل است:

• ناپیوستگی امپدانس
• متقاطع
• بازتاب ، زنگ زدن ، بیش از حد و زیر نظر
• از طریق خرد

اکنون بارگیری کن

قانون فعلی Kirchhoff بیان می کند که ورود جریان به یک گره (یا یک محل اتصال) باید برابر با جریان جریان از آن باشد. به عبارت دیگر ، جمع جبری تمام جریانهای وارد شده و ترک یک گره باید برابر با صفر باشد مانند:

من (خروج) + i (وارد کردن) = 0

بنابراین ، جریان خالص بار در هر گره و مؤلفه در یک مدار باید صفر باشد. این بدان معنی است که جریان باید به منبع خود برگردد ، مهم نیست که مدار چیست. برای درک بهتر ، برای طراحی و توسعه بهتر PCB ، پست ما را در تئوری شبکه بخوانید.

اگر جریان در حلقه ها جریان داشته باشد و به منبع بازگردد ، انتظار دارید جریان به انتهای خط سفر کند و از مسیر بازگشت به پایین حرکت کند. اما این روند کل چه مدت طول می کشد؟چه زمانی می توانید ببینید جریان از مسیر بازگشت بیرون می آید؟آیا دو ثانیه طول می کشد؟یا ، یک ثانیه برای پایین رفتن و یک ثانیه برای بازگشت؟فرض کنید یک ماده دی الکتریک عایق بین هادی های سیگنال و بازگشت وجود دارد. چگونه ممکن است جریان از سیگنال به هادی بازگشت ، به جز در انتهای دور ، برسد؟

بیایید با فکر کردن در مدل اساسی ، خطی که جریان جریان از طریق آن جریان دارد ، شروع کنیم ، اجازه دهید این یک دسته از خازن های کوچک باشد. جریان اولیه به خط جریان می یابد. با راه اندازی سیگنال ، خازن را می بیند. اگر ولتاژ در سراسر خازن ثابت باشد ، جریان جریان نمی یابد. با ورود سیگنال به خط انتقال ، یک ولتاژ در سراسر سیگنال و مسیر بازگشت وجود دارد. در طی این زمان انتقال ، با گذشت لبه ، ولتاژ تغییر می کند و جریان از طریق خازن اولیه جریان می یابد. وقتی سیگنال راه اندازی شد ، هیچ ایده ای ندارد که چگونه کل سفر خود را برنامه ریزی کرده اید ، و مهم نیست. حرکت به و حرکت جریان بستگی به محیط فوری و منطقه خطی دارد که ولتاژ در آن تغییر می کند ، یعنی جایی که لبه سیگنال است.

جریان منبع به داخل هادی جریان می یابد و از خازن بین سیگنال و مسیر بازگشت عبور می کند و یک حلقه را تشکیل می دهد. همانطور که لبه انتقال ولتاژ از طریق خط پخش می شود ، حلقه جریان نیز از طریق خط انتقال پخش می شود. ما می توانیم مدل خط انتقال را گسترش دهیم تا بقیه مسیرهای سیگنال را شامل شود و با تمام خازن های توزیع شده بین آنها ، به شرط تغییر ولتاژ سیگنال.

هر چیزی که حلقه فعلی را مختل کند ، سیگنال را مختل می کند و امپدانس کنترل شده را تحریف می کند و یکپارچگی سیگنال را به خطر می اندازد.

مسیریابی مسیر بازگشت فعلی به عمد!

بسیاری از افراد تصور می کنند که تغییر در یک مدار بلافاصله رخ می دهد ، زیرا شما یک مدار را روشن می کنید و نور فقط در یک کلیک می درخشد. داشتن تصور غلط نسبتاً آسان است زیرا تغییر در دولت از درک انسان فراتر می رود.

اما در واقعیت، هنگامی که یک "جریان متناوب" از مدار عبور می کند، یک میدان الکتریکی در مجاورت آن ایجاد می کند. این خطوط میدان سپس از طریق هادی های اطراف پخش می شوند و ممکن است به مدارهای مجاور نیز منتقل شوند. همراه با این، مدار شما با تغییر حالت مواجه می شود که به نوبه خود باعث ایجاد پتانسیل الکتریکی می شود و از این رو جریان از مدار عبور می کند. این میدان الکتریکی یک میدان الکترومغناطیسی در اطراف هادی ایجاد می کند که جریان از آن عبور می کند.

تغییرات میدان الکترومغناطیسی بسیار سریع اما با سرعت محدود منتشر می شود و مدتی طول می کشد تا تغییرات میدان به انتهای مدار شما برسد. بنابراین، ممکن است دو انتهای یک ردیابی در دو حالت مختلف با یک نقطه گذار که در طول حرکت می کند، قرار گیرند. این باعث ایجاد جریان های ناخواسته در هادی های مجاور می شود.

مسیریابی ضعیف می تواند منجر به ایجاد نویز در مدار شود و می تواند مسائلی مانند سازگاری الکترومغناطیسی، حساسیت و ایجاد تداخل الکترومغناطیسی را ایجاد کند. از این رو، عملکرد کلی مدار را کاهش می دهد.

چرا مسیر برگشت فعلی در طراحی PCB حیاتی است؟

طراحی الکترونیکی دیروز به نوعی قابل توجه بود. شماتیک های تا حدی بد و چیدمان نه چندان کارآمد همچنان تابلوهای معنی دار و کاربردی را ایجاد می کند. اما اکنون، در رقابت برای کوچک تر کردن PCBها و تراشه ها، ولتاژهای عملیاتی و حاشیه های نویز آن ها در حال کاهش است. کاهش به این دلیل است که مهندسان اکنون باید در انتخاب های طراحی خود دقت بیشتری داشته باشند.

نه تنها کوچکتر، بلکه PCBها اکنون سریعتر می شوند. در حال حاضر، PCBها در نظر گرفته شده اند تا در فرکانس های آنقدر بالا کار کنند که عملکرد مدار را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. به آنها PCBهای پرسرعت می گویند. عوامل دیگر شامل مواد، طول آثار، اندازه تخته و محیط است.

اگرچه، به طور سنتی، 50 مگاهرتز و بالاتر نقاطی هستند که می توان طرح PCB را یک طراحی PCB با سرعت بالا در نظر گرفت. جنبه جالب PCB های پرسرعت این است که کمترین مسیر مقاومت را دنبال نمی کنند. آنها مسیر کمترین امپدانس را دنبال می کنند. بدون چیدمان مسیر برگشت مناسب، ممکن است خود را با جریان هایی که در اطراف شکاف ها در صفحه زمین خود پخش می شوند، پیدا کنید که منجر به از دست دادن یکپارچگی سیگنال می شود.

PCBهای پرسرعت و مسیر برگشت جریان

مهم نیست که چقدر تجربه ای داشته باشید ، می توانید فراموش کنید که امپدانس ممکن است مانند مقاومت باشد. اما اینطور نیستاین یک عبارت عمومی است که وابستگی به زمان و فرکانس را به خود اختصاص می دهد. این یک مقدار پیچیده با یک قسمت خیالی (واکنش) و یک قسمت واقعی (مقاومت) است.

بنابراین ، شما ممکن است تمایل داشته باشید که قسمت واکنشی امپدانس را در مسیرهای بازگشت مدار خود نادیده بگیرید و به شدت روی مقاومت تمرکز کنید. با افزایش فرکانس و استهلاک در زمان افزایش/سقوط ، بخش واکنشی از امپدانس در مسیرهای بازگشت بسیار مهم تر می شود.

در بعضی موارد ، مسیر بازگشت جریان را می توان در زیر هادی یافت. بنابراین ، شما باید قبل از ایجاد یک مسیر کمتر مطلوب در مدار خود ، یک مسیر مطلوب را ارائه دهید.

حال بیایید پیش برویم که چگونه یک مسیریابی با سرعت بالا PCB جریان جریان دارد.

فرض کنید شما یک تخته دو طرفه ، یک اثری در بالا و یک هواپیمای کامل مس در پایین دارید. تخته دارای دو VIA است که ردیابی را با هواپیمای زمین وصل می کند. پس از رسیدن به نقطه مورد نظر خود ، از طریق VIA به هواپیمای زمین سفر می کند و دوباره به منبع خود از طریق VIA پایان می یابد.

اما سوال اینجا این است که چگونه؟جریان می تواند در سه مسیر معین برگردد: ساده ترین مسیر شناخته شده ردیابی جریان خود ، مسیر مستقیم است. یا ، می تواند در کمترین حلقه منطقه که در زیر ردیابی بالا قرار دارد ، سفر کند. در غیر این صورت ، می تواند هر دو روش برای بازگشت به منبع خود را ترکیب کند. همانطور که از قبل می دانید ، جریان فعلی از طریق کمترین مسیر امپدانس به منبع باز می گردد.

ما می دانیم که امپدانس (Z) یک مقاومت با ارزش مقاومت (R) برابر است ، مانند:

باز هم ، بزرگی امپدانس در سلف:

در دامنه فرکانس ، می توانیم امپدانس یک سلف را بیان کنیم:

بنابراین ، با استفاده از تئوری مدار پارامتر توده ، می توانیم امپدانس زمینی ZG را پیدا کنیم.

zg = rg + jωlg

جایی که RG و LG به ترتیب مقاومت و القاء مسیر زمین هستند.

برای فرکانس های کم ، جریان زمین مسیر کمترین مقاومت را طی می کند. این مسیر را به سمت منبع ، پایین ترین مسیر امپدانس ردیابی می کند.

برای فرکانس های بالا ، جریان زمین مسیر کمترین القا را دنبال می کند. این مستقیماً در زیر ردیابی قرار دارد زیرا نشان دهنده کوچکترین منطقه حلقه است. پست ما را در مورد اثرات سیگنال های پر سرعت در PCB بخوانید.

در فرکانس های کم (1 - 100kHz) ، جریان بازگشت به طور عمده از طریق مسیر مستقیم کمترین مقاومت جریان می یابد. با افزایش فرکانس به 500 - 1000kHz ، جریان بین دو مسیر با کمترین مقاومت و کمترین القاء تقسیم می شود. در فرکانس های بالا (10 - 100 مگاهرتز) ، اکثر جریان های جریان برگشتی در زیر ردیابی بالا در مسیر حداقل القاء جریان می یابد.

برای آثار سیگنال با فرکانس بالاتر ، از یک جفت دیفرانسیل استفاده می شود. دلیل این امر ساده است: جفت های دیفرانسیل هم سیگنال و هم فاز مخالف سیگنال را حمل می کنند. از این رو ، اشعه لغو می شود و جریان جریان صفر است. بنابراین ، آنها می توانند با نویز حالت مشترک یا سر و صدای ناشی از آن مبارزه کنند. برنامه ریزی دقیق و عمدی از یک مسیر بازگشت زمین ، جریان های ناخواسته را در قسمت هایی از مدار شما که در آن نباید قرار بگیرند ، باز می دارد.

ناپیوستگی مسیر بازگشت فعلی

تاکنون ، هر آنچه که در مورد آن بحث کردیم موارد هواپیمای جامد زمین بود. اما می تواند موقعیت هایی وجود داشته باشد که در هواپیمای زمین ناپیوستگی وجود داشته باشد. در حین طراحی برای مسیرهای بازگشت ، باید موارد برش ، شکاف یا شاید سوراخ های ترخیص را نیز در نظر داشته باشید. فرض کنید در هواپیمای زمینی شکاف وجود دارد. به نظر شما چه اشتباهی می تواند انجام شود؟

این نوعی معمولی است که یک مسیر بازگشت جامد و بدون وقفه از قابلیت الکترومغناطیسی بهتری برخوردار است. جریان در امتداد یک حلقه مدار بسته قرار می گیرد ، از این رو باعث می شود جریان حاصل صفر شود. حلقه به اندازه کافی کوچک/باریک است. مسیر بازگشت از طریق میکرواستریپ فقط در زیر صفحه ردیابی سیگنال قرار دارد.

اما ناپیوستگی در مسیر بازگشت باعث ایجاد صداهایی می شود. برش ها ، شکاف ها یا حتی سوراخ های ترخیص کالا از گمرک برای سوراخ یا VIAS ، همه این موارد می تواند باعث ناپیوستگی در مسیر بازگشت شود. این منطقه حلقه جریان بزرگتر را ایجاد می کند. این باعث افزایش القاء حلقه می شود. از این رو ، جریان پخش می شود و همچنین ممکن است در لبه ها قرار بگیرد و آنتن را تشکیل دهد. سوراخ های ترخیص کالا از گمرک کمتر برای جریان فعلی است. مگر اینکه سوراخ ها با هم همپوشانی داشته باشند ، مسئله زیادی وجود ندارد. نحوه محدود کردن ناپیوستگی های امپدانس و بازتاب سیگنال را در یک خط انتقال PCB بخوانید.

هر آنچه که بر جریان سیگنال یا مسیر جریان بازگشت تأثیر می گذارد ، بر امپدانس سیگنال تأثیر می گذارد. بنابراین ، مسیر بازگشت باید دقیقاً به همان اندازه مسیر سیگنال طراحی شود. فرقی نمی کند که روی PCB یا یک بسته IC باشد. مسیرهای بازگشت نیز نقش مهمی در مونتاژ اتصالات و کابل ها دارند.

مسیر بازگشت فعلی در تابلوهای سیگنال مختلط

در تابلوهای سیگنال مختلط، برنامه ریزی قرار دادن قطعات به گونه ای ضروری است که سیگنال های آنالوگ و دیجیتال از یکدیگر عبور نکنند. برای مسیر برگشت سیگنال آنالوگ به تصویر بالا (سمت چپ) مراجعه کنید. در این حالت، می بینیم که ناحیه تخته به دو بخش دیجیتال و آنالوگ تقسیم می شود و هر دو بخش در صفحه پایین زمین که در مرکز دوخته می شود به هم متصل می شوند. این دو هواپیما همچنان کوپلینگ خازنی را تجربه می کنند که به سیگنال های آنالوگ و دیجیتال اجازه می دهد با هم ترکیب شوند. بهترین روش این است که همانطور که در تصویر (سمت راست) نشان داده شده است، یک صفحه داشته باشید و اجزای دیجیتال و آنالوگ را جداگانه قرار دهید. هدف این است که از حرکت سیگنال های دیجیتال به زیر ناحیه آنالوگ و ایجاد تداخل جلوگیری شود.

هندسه ردیابی و سطوح داخلی به طور بحرانی مسیر برگشت فعلی را در یک طرح PCB تعیین می کنند. یک مسیر برگشت جریان به درستی برنامه ریزی شده و با دقت طراحی شده برای جلوگیری از جریان ناخواسته در مدار بسیار مهم است. توصیه می شود برای تمام سیگنال های پرسرعتی که از مدار عبور می کنند، راه های بازگشت به زمین و مسیرها ارائه شود. هنگامی که یک طراح هندسه و ویژگی های یک سیگنال را درک کند، برنامه ریزی مسیر بازگشت سیگنال ها آسان تر می شود.