Когда проводники на печатной плате находятся очень близко друг от друга, между ними возникают перекрестные помехи из-за емкостной связи, которые мешают совместному использованию аналоговых и цифровых схем на одной плате.
Решить эту проблему можно двумя способами. Первый из них заключается в такой топологии, где проводники пересекаются на двух разных уровнях. Во втором способе два проводника на одном уровне располагаются параллельно друг другу.
При двух достаточно близко расположенных проводниках между ними возникает паразитная емкость, которая определяется следующей формулой:
C = eRe0A/d, (1)
где eR и e0 – диэлектрическая проницаемость материала платы и вакуума, соответственно; А – площадь перекрытия; d – расстояние между ними.
Диэлектрическая проницаемость (eR) стеклопластика на основе эпоксидной смолы FR4, применяемого для изготовления печатных плат, составляет 4,4–4,8. В нашем расчете мы воспользуемся значением 4,7. Диэлектрическая проницаемость вакуума равна 8,84∙10–12 Ф/м. На рисунке 1 приведен пример двух перпендикулярно расположенных проводников на плате FR4.
Рис. 1. Два проводника, расположенных перпендикулярно на разных слоях печатной платы толщиной 0,25 мм. По проводнику верхнего слоя платы распространяется прямоугольный тактовый сигнал
Рис. 1. Два проводника, расположенных перпендикулярно на разных слоях печатной платы толщиной 0,25 мм. По проводнику верхнего слоя платы распространяется прямоугольный тактовый сигналFR4 PCB – печатная плата FR4; Coupledcurrent – сигнал тока в проводнике второго слоя платы
Сплошными черными линиями на рисунке 1 схематично изображен проводник на верхнем слое платы, а красные пунктирные линии соответствуют второму проводнику. Расстояние между слоями составляет 0,25 мм. Подставив в уравнение (1) соответствующие значения параметров, получаем, что паразитная емкость между этими проводниками составляет 0,001 мкФ.
Если по проводнику верхнего слоя распространяется тактовый сигнал прямоугольной формы, по второму проводнику течет ток, определяемый формулой (2):
I = C∂V/∂t, (2)
где ∂V/∂t – скорость изменения напряжения.
Если время нарастания напряжения цифрового сигнала в диапазоне 0–5 В составляет 10 нс, а емкость – 0,01 пФ, пиковый ток равен 50 мкА. Эта величина практически равна току, протекающему по второму проводнику. Если импеданс второго проводника с аналоговым сигналом равен 100 МОм, соответствующее напряжение достигает 0,5 В. Для аналоговых цепей это достаточно высокое напряжение, вызывающее разрушение проводника.
На рисунке 2 изображен случай, когда паразитная емкость возникает между двумя проводниками одного слоя платы.
Рис. 2. Два проводника на одном слое печатной платы. По одному из них распространяется прямоугольный тактовый сигнал
Рис. 2. Два проводника на одном слое печатной платы. По одному из них распространяется прямоугольный тактовый сигналVoltageIN – входное напряжение; PCBtraces – проводники печатной платы; Coupledcurrent – сигнал тока в проводнике второго слоя платы
Паразитная емкость между этими проводниками определяется следующей формулой:
С = eRe0Lw/d, (3)
где eR = 4,7 и e0 = 8,84∙10–12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость материала платы и вакуума, соответственно; L – длина проводников; w – толщина проводников; d – расстояние между ними.
Типовые значения расчетных параметров: длина L – 5 см; расстояние между проводниками – 0,5 мм. Паразитнаяемкостьдляэтогослучаясоставляет 0,01 пФ.
К сожалению, при времени переключения менее нс вкупе с высоким импедансом аналоговых линий могут возникать проблемы, связанные с целостностью сигнала.
Для их устранения необходимо отделить на плате цифровую схему от аналоговой. Речь идет не об использовании отдельных слоев – следует в как можно большей мере уменьшить величину паразитной емкости, увеличив, например, в схеме на рисунке 1 расстояние между пересекающимися проводниками. В случае же со второй схемой следует уменьшить длину проводников и увеличить расстояние между ними.
Паразитную емкость можно также уменьшить, поместив заземляющий проводник между проводниками (см. рис. 3).
Рис. 3. Чтобы уменьшить перекрестные помехи, между проводниками помещается земляной проводник
Voltage IN – входное напряжение; Ground trace – заземляющий проводник; PCB trace – проводник печатной платы; Coupledcurrent – сигнал тока в проводнике второго слоя платы
