Резюме: Проектирането на верига със смесен сигнал PCB е много сложно. Разположението и окабеляването на компонентите и обработката на захранването и заземяващия проводник ще повлияят пряко на производителността на веригата и производителността на електромагнитната съвместимост. Дизайнът на разпределението на земята и захранването, представен в тази статия, може да оптимизира работата на вериги със смесен сигнал.

Как да намалим взаимните смущения между цифров сигнал и аналогов сигнал? Преди да проектираме, трябва да разберем двата основни принципа на електромагнитната съвместимост (EMC): Първият принцип е да се сведе до минимум площта на токовия контур; вторият принцип е, че системата използва само една референтна повърхност. Напротив, ако системата има две референтни равнини, е възможно да се образува диполна антена (Забележка: размерът на излъчване на малка диполна антена е пропорционален на дължината на линията, количеството протичащ ток и честотата); и ако сигналът не може да премине възможно най-много Връщането на малък контур може да образува голяма контурна антена (Забележка: размерът на излъчване на малката кръгова антена е пропорционален на площта на контура, тока, протичащ през контура, и квадрата от честотата). Избягвайте тези две ситуации колкото е възможно повече в дизайна.

Предлага се да се раздели цифровото заземяване и аналоговото заземяване на платката със смесен сигнал, така че да може да се постигне изолация между цифровото заземяване и аналоговата маса. Въпреки че този метод е осъществим, има много потенциални проблеми, особено в сложни широкомащабни системи. Най-критичният проблем е, че той не може да бъде насочен през пропастта в разделението. След като разделителната пропаст бъде насочена, електромагнитното излъчване и кръстосаните смущения на сигнала ще се увеличат рязко. Най-често срещаният проблем в дизайна на печатни платки е, че сигналната линия пресича разделената земя или захранването и генерира проблеми с EMI.

Как да постигнем дизайн на дялове на печатни платки със смесен сигнал

Както е показано на фигура 1, ние използваме гореспоменатия метод на разделяне и сигналната линия пресича пролуката между двете основания. Какъв е обратният път на сигналния ток? Ако приемем, че двете заземявания, които са разделени, са свързани някъде заедно (обикновено едноточкова връзка на определено място), в този случай заземителният ток ще образува голям контур. Високочестотният ток, протичащ през големия контур, генерира радиация и висока земна индуктивност. Ако аналоговият ток на ниско ниво протича през големия контур, токът лесно се намесва от външни сигнали. Най-лошото е, че когато разделените заземления се свържат заедно в захранването, ще се образува много голям токов контур. В допълнение, аналоговата и цифровата маса са свързани с дълъг проводник, за да образуват диполна антена.

Разбирането на пътя и метода на връщане на тока към земята е ключът към оптимизиране на дизайна на платката със смесен сигнал. Много дизайнери отчитат само къде тече сигналният ток и игнорират специфичния път на тока. Ако заземителният слой трябва да бъде разделен и окабеляването трябва да бъде прокарано през пролуката между участъците, може да се направи едноточкова връзка между разделените заземления, за да се образува свързващ мост между двете заземления, а след това окабеляване през свързващия мост . По този начин под всяка сигнална линия може да бъде осигурен обратен път за постоянен ток, така че образуваната площ на контура да е малка.

Използването на оптични изолационни устройства или трансформатори също може да постигне сигнала през сегмента. За първите това е оптичният сигнал, който пресича сегментацията; в случай на трансформатор, магнитното поле е това, което пресича сегментационната междина. Друг възможен метод е да се използват диференциални сигнали: сигналът постъпва от една линия и се връща от друга сигнална линия. В този случай земята не е необходима като обратен път.

За да проучим дълбоко смущенията на цифрови сигнали към аналогови сигнали, първо трябва да разберем характеристиките на високочестотните токове. За високочестотни токове винаги избирайте пътя с най-малък импеданс (най-ниска индуктивност) и директно под сигнала, така че обратният ток ще протича през съседния слой на веригата, независимо дали съседният слой е захранващият или заземяващият слой .

В реалната работа обикновено е склонно да използва унифицирано заземяване и да раздели печатната платка на аналогова и цифрова част. Аналоговият сигнал се насочва в аналоговата зона на всички слоеве на платката, а цифровият сигнал се насочва в областта на цифровата верига. В този случай обратният ток на цифровия сигнал няма да тече в земята на аналоговия сигнал.

Само когато цифровият сигнал е свързан към аналоговата част на платката или аналоговият сигнал е свързан към цифровата част на платката, ще се появи интерференцията на цифровия сигнал към аналоговия сигнал. Този вид проблем не възниква, защото няма разделена земя, истинската причина е неправилното окабеляване на цифровия сигнал.

Дизайнът на печатната платка приема унифицирано заземяване, чрез разделяне на цифрова и аналогова верига и подходящо сигнално окабеляване, обикновено може да реши някои по-трудни проблеми с оформлението и окабеляването и в същото време няма да причини някои потенциални проблеми, причинени от разделяне на земята. В този случай оформлението и разделянето на компонентите става ключът към определянето на плюсовете и минусите на дизайна. Ако оформлението е разумно, цифровият ток на земята ще бъде ограничен до цифровата част на платката и няма да пречи на аналоговия сигнал. Такова окабеляване трябва да бъде внимателно проверено и проверено, за да се гарантира, че правилата за окабеляване са 100% спазени. В противен случай, неправилното насочване на сигнална линия напълно ще унищожи иначе много добра платка.

Когато свързвате щифтовете за аналогово заземяване и цифрово заземяване на A/D преобразувателя заедно, повечето производители на A/D преобразуватели биха предложили: Свържете изводите AGND и DGND към една и съща маса с нисък импеданс през най-късия проводник. (Забележка: Тъй като повечето чипове на A/D преобразуватели не свързват аналоговата маса и цифровото заземяване заедно, аналоговата и цифровата маса трябва да бъдат свързани чрез външни изводи.) Всеки външен импеданс, свързан към DGND, ще премине паразитен капацитет. Повече цифров шум се свързва с аналоговите схеми вътре в IC. Съгласно тази препоръка, трябва да свържете изводите AGND и DGND на A/D преобразувателя към аналоговата маса, но този метод ще причини проблеми като това дали заземителният извод на кондензатора за разделяне на цифровия сигнал трябва да бъде свързан към аналоговата маса или цифровото заземяване.

Как да постигнем дизайн на дялове на печатни платки със смесен сигнал

Ако системата има само един A/D преобразувател, горните проблеми могат лесно да бъдат решени. Както е показано на фигура 3, разделете земята и свържете аналоговата и цифровата маса заедно под A/D преобразувателя. При приемането на този метод е необходимо да се гарантира, че ширината на свързващия мост между двете заземления е същата като ширината на IC и нито една сигнална линия не може да пресече разделителната пролука.

Ако има много A/D преобразуватели в системата, например, как да свържете 10 A/D преобразуватели? Ако аналоговото заземяване и цифровото заземяване са свързани заедно под всеки A/D преобразувател, се генерира многоточкова връзка и изолацията между аналоговата маса и цифровото заземяване е безсмислена. Ако не се свържете по този начин, това нарушава изискванията на производителя.