Kako postići dizajn particija PCB-a s mješovitim signalom?

Sažetak: Dizajn kola mješovitog signala PCB je veoma komplikovano. Raspored i ožičenje komponenti i obrada napajanja i uzemljenja direktno će uticati na performanse kola i performanse elektromagnetne kompatibilnosti. Dizajn particije uzemljenja i napajanja predstavljen u ovom članku može optimizirati performanse kola mješovitih signala.

ipcb

Kako smanjiti međusobnu smetnju između digitalnog i analognog signala? Prije dizajna, moramo razumjeti dva osnovna principa elektromagnetske kompatibilnosti (EMC): Prvi princip je minimiziranje površine strujne petlje; drugi princip je da sistem koristi samo jednu referentnu površinu. Naprotiv, ako sistem ima dvije referentne ravni, moguće je formirati dipolnu antenu (Napomena: veličina zračenja male dipolne antene je proporcionalna dužini linije, količini struje koja teče i frekvenciji); i ako signal ne može proći što je moguće više Povratak male petlje može formirati veliku petlju antenu (Napomena: veličina zračenja male petlje proporcionalna je površini petlje, struji koja teče kroz petlju i kvadratu frekvencije). Izbjegavajte ove dvije situacije što je više moguće u dizajnu.

Predlaže se razdvojiti digitalno uzemljenje i analogno uzemljenje na ploči s mješovitim signalom, tako da se može postići izolacija između digitalnog uzemljenja i analognog uzemljenja. Iako je ova metoda izvodljiva, postoji mnogo potencijalnih problema, posebno u složenim sistemima velikih razmjera. Najkritičniji problem je taj što se ne može usmjeriti preko divizijskog jaza. Jednom kada se razmak podjele usmjeri, elektromagnetno zračenje i preslušavanje signala će se naglo povećati. Najčešći problem u dizajnu PCB-a je taj što signalna linija prelazi podijeljeno uzemljenje ili napajanje i stvara probleme EMI.

Kako postići dizajn particija PCB-a s mješovitim signalom

Kao što je prikazano na slici 1, koristimo gore pomenutu metodu podjele, a signalna linija prelazi prazninu između dva uzemljenja. Koji je povratni put signalne struje? Pod pretpostavkom da su dva uzemljenja koja su podijeljena negdje spojena zajedno (obično jedna tačka veze na određenoj lokaciji), u ovom slučaju struja uzemljenja će formirati veliku petlju. Struja visoke frekvencije koja teče kroz veliku petlju stvara zračenje i visoku induktivnost zemlje. Ako analogna struja niskog nivoa teče kroz veliku petlju, struju lako ometaju vanjski signali. Najgore je to što će se, kada se podijeljena uzemljenja spoje zajedno na napajanje, formirati vrlo velika strujna petlja. Osim toga, analogno uzemljenje i digitalno uzemljenje povezani su dugom žicom da formiraju dipolnu antenu.

Razumijevanje putanje i metode povrata struje na uzemljenje je ključ za optimizaciju dizajna ploče s mješovitim signalom. Mnogi dizajneri uzimaju u obzir samo gdje struja signala teče i zanemaruju specifičnu putanju struje. Ako se sloj uzemljenja mora podijeliti, a ožičenje mora biti provučeno kroz jaz između podjela, može se napraviti veza u jednoj tački između podijeljenih uzemljenja kako bi se formirao spojni most između dva uzemljenja, a zatim ožičenje kroz spojni most . Na ovaj način se može obezbijediti povratni put jednosmjerne struje ispod svake signalne linije, tako da je formirana površina petlje mala.

Korištenje optičkih izolacijskih uređaja ili transformatora također može postići signal kroz segmentacijski jaz. Za prvu, optički signal je taj koji prelazi segmentacijski jaz; u slučaju transformatora, magnetsko polje prelazi segmentni jaz. Druga izvodljiva metoda je korištenje diferencijalnih signala: signal ulazi iz jedne linije i vraća se iz druge signalne linije. U ovom slučaju zemlja nije potrebna kao povratna putanja.

Da bismo duboko istražili interferenciju digitalnih signala sa analognim signalima, prvo moramo razumjeti karakteristike visokofrekventnih struja. Za visokofrekventne struje, uvijek birajte stazu s najmanjom impedansom (najnižom induktivnošću) i direktno ispod signala, tako da će povratna struja teći kroz susjedni sloj kola, bez obzira da li je susjedni sloj energetski sloj ili sloj zemlje .

U stvarnom radu, uglavnom je sklon da se koristi objedinjeno uzemljenje, i da se PCB podeli na analogni i digitalni deo. Analogni signal se usmjerava u analogno područje svih slojeva ploče, a digitalni signal se usmjerava u područje digitalnog kola. U tom slučaju povratna struja digitalnog signala neće teći u masu analognog signala.

Samo kada je digitalni signal ožičen na analognom dijelu ploče ili je analogni signal ožičen na digitalnom dijelu ploče, pojavit će se smetnja digitalnog signala u analogni signal. Ovakav problem se ne javlja jer nema podijeljenog tla, pravi razlog je nepravilno ožičenje digitalnog signala.

Dizajn PCB-a usvaja objedinjeno uzemljenje, preko digitalnog kola i analognog kruga particije i odgovarajućeg signalnog ožičenja, obično može riješiti neke teže probleme rasporeda i ožičenja, a u isto vrijeme neće uzrokovati neke potencijalne probleme uzrokovane podjelom uzemljenja. U ovom slučaju, raspored i podjela komponenti postaje ključ za određivanje prednosti i mana dizajna. Ako je raspored razuman, digitalna struja uzemljenja bit će ograničena na digitalni dio ploče i neće ometati analogni signal. Takvo ožičenje se mora pažljivo pregledati i provjeriti kako bi se osiguralo da su pravila ožičenja 100% poštovana. U suprotnom, nepravilno usmjeravanje signalne linije će u potpunosti uništiti inače vrlo dobru ploču.

Prilikom povezivanja analognog uzemljenja i digitalnog uzemljenja A/D konvertera zajedno, većina proizvođača A/D konvertera bi predložila: Povežite AGND i DGND pinove na isto uzemljenje niske impedancije preko najkraćeg kabla. (Napomena: Budući da većina čipova A/D pretvarača ne povezuje analogno i digitalno uzemljenje zajedno, analogno i digitalno uzemljenje moraju biti spojene preko eksternih pinova.) Bilo koja vanjska impedansa spojena na DGND će proći parazitski kapacitet. Više digitalnog šuma je povezano sa analognim kolima unutar IC-a. Prema ovoj preporuci, potrebno je da spojite AGND i DGND pinove A/D konvertora na analognu masu, ali ova metoda će uzrokovati probleme kao što je da li terminal za uzemljenje kondenzatora za razdvajanje digitalnog signala treba da bude povezan na analognu masu ili digitalno uzemljenje.

Kako postići dizajn particija PCB-a s mješovitim signalom

Ako sistem ima samo jedan A/D konvertor, gore navedeni problemi se lako mogu riješiti. Kao što je prikazano na slici 3, podijelite uzemljenje i povežite analogno i digitalno uzemljenje zajedno ispod A/D pretvarača. Prilikom usvajanja ove metode potrebno je osigurati da širina spojnog mosta između dva uzemljenja bude ista kao i širina IC-a, te da nijedna signalna linija ne može preći razdjelni razmak.

Ako u sistemu ima mnogo A/D konvertera, na primer, kako spojiti 10 A/D konvertera? Ako se analogno uzemljenje i digitalno uzemljenje spoje zajedno ispod svakog A/D konvertora, stvara se veza sa više tačaka, a izolacija između analognog uzemljenja i digitalnog uzemljenja je besmislena. Ako se ne povežete na ovaj način, to krši zahtjeve proizvođača.