Abstrakt: Návrh obvodu se smíšeným signálem PCB je velmi složitá. Uspořádání a zapojení součástí a zpracování napájecího zdroje a zemnícího vodiče přímo ovlivní výkon obvodu a výkon elektromagnetické kompatibility. Návrh rozdělení země a napájení představený v tomto článku může optimalizovat výkon obvodů se smíšeným signálem.

Jak snížit vzájemné rušení mezi digitálním signálem a analogovým signálem? Před návrhem musíme pochopit dva základní principy elektromagnetické kompatibility (EMC): Prvním principem je minimalizace oblasti proudové smyčky; druhý princip spočívá v tom, že systém používá pouze jednu referenční plochu. Naopak, pokud má systém dvě referenční roviny, je možné vytvořit dipólovou anténu (Poznámka: velikost vyzařování malé dipólové antény je úměrná délce vedení, velikosti protékajícího proudu a frekvenci); a pokud signál nemůže procházet co nejvíce, návrat z malé smyčky může tvořit velkou smyčkovou anténu (Poznámka: velikost záření malé smyčkové antény je úměrná ploše smyčky, proudu protékajícímu smyčkou a čtverci frekvence). Těmto dvěma situacím se v návrhu co nejvíce vyhněte.

Doporučuje se oddělit digitální zem a analogovou zem na desce plošných spojů se smíšeným signálem, aby bylo možné dosáhnout izolace mezi digitální zemí a analogovou zemí. Ačkoli je tato metoda proveditelná, existuje mnoho potenciálních problémů, zejména ve složitých rozsáhlých systémech. Nejkritičtějším problémem je, že nemůže být směrován přes dělicí mezeru. Jakmile je dělicí mezera směrována, elektromagnetické záření a přeslechy signálu se prudce zvýší. Nejčastějším problémem v návrhu PCB je to, že signálové vedení prochází rozdělenou zemí nebo napájecím zdrojem a generuje problémy s EMI.

Jak dosáhnout návrhu oddílů PCB se smíšeným signálem

Jak je znázorněno na obrázku 1, používáme výše zmíněnou metodu dělení a signální vedení prochází mezerou mezi dvěma uzemněními. Jaká je zpětná cesta proudu signálu? Za předpokladu, že dvě země, které jsou rozděleny, jsou spolu někde spojeny (obvykle jednobodové spojení na určitém místě), v tomto případě zemní proud vytvoří velkou smyčku. Vysokofrekvenční proud protékající velkou smyčkou generuje záření a vysokou zemní indukčnost. Pokud nízkoúrovňový analogový proud protéká velkou smyčkou, je proud snadno rušen vnějšími signály. Nejhorší je, že když jsou rozdělené země spojeny dohromady u zdroje, vytvoří se velmi velká proudová smyčka. Analogové a digitální uzemnění jsou navíc spojeny dlouhým drátem, aby vytvořily dipólovou anténu.

Pochopení cesty a metody návratu proudu k zemi je klíčem k optimalizaci návrhu desky plošných spojů se smíšeným signálem. Mnoho konstruktérů zvažuje pouze to, kudy proudí signál, a ignoruje konkrétní cestu proudu. Pokud musí být zemnící vrstva rozdělena a kabeláž musí být vedena mezerou mezi přepážkami, lze mezi rozdělenými uzemněními vytvořit jednobodové spojení, aby se vytvořil spojovací můstek mezi dvěma uzemněními, a poté vedení přes spojovací můstek . Tímto způsobem může být pod každým signálovým vedením poskytnuta zpětná cesta stejnosměrného proudu, takže vytvořená plocha smyčky je malá.

Použití optických izolačních zařízení nebo transformátorů může také dosáhnout signálu přes segmentační mezeru. V prvním případě je to optický signál, který prochází segmentační mezerou; v případě transformátoru je to magnetické pole, které protíná segmentační mezeru. Další proveditelnou metodou je použití diferenciálních signálů: signál proudí z jednoho vedení a vrací se z jiného signálního vedení. V tomto případě není země potřebná jako zpětná cesta.

Abychom mohli do hloubky prozkoumat interferenci digitálních signálů s analogovými signály, musíme nejprve porozumět charakteristikám vysokofrekvenčních proudů. Pro vysokofrekvenční proudy vždy volte cestu s nejmenší impedancí (nejnižší indukčností) a přímo pod signálem, takže zpětný proud bude protékat sousední vrstvou obvodu bez ohledu na to, zda je sousední vrstvou výkonová vrstva nebo zemní vrstva. .

Ve skutečné práci se obecně přiklání k použití jednotného uzemnění a rozdělení PCB na analogovou část a digitální část. Analogový signál je směrován do analogové oblasti všech vrstev obvodové desky a digitální signál je směrován do oblasti digitálního obvodu. V tomto případě zpětný proud digitálního signálu nepoteče do země analogového signálu.

Pouze když je digitální signál zapojen do analogové části desky s obvody nebo je analogový signál zapojen do digitální části desky s obvody, objeví se interference digitálního signálu s analogovým signálem. Tento druh problému se nevyskytuje, protože neexistuje žádné rozdělené uzemnění, skutečným důvodem je nesprávné zapojení digitálního signálu.

Návrh desky plošných spojů využívá sjednocené uzemnění, prostřednictvím digitálního obvodu a analogového obvodu a vhodného signálového vedení, obvykle může vyřešit některé obtížnější problémy s uspořádáním a zapojením a zároveň nezpůsobí nějaké potenciální problémy způsobené rozdělením země. V tomto případě se rozložení a rozdělení komponent stává klíčem k určení kladů a záporů návrhu. Pokud je uspořádání rozumné, digitální zemní proud bude omezen na digitální část obvodové desky a nebude rušit analogový signál. Taková elektroinstalace musí být pečlivě zkontrolována a ověřena, aby bylo zajištěno, že pravidla elektroinstalace jsou 100% dodržována. V opačném případě nesprávné vedení signálového vedení zcela zničí jinak velmi dobrou desku spojů.

Když spojujete analogové zemnící a digitální zemnící kolíky A/D převodníku dohromady, většina výrobců A/D převodníků navrhuje: Připojte vývody AGND a DGND ke stejnému nízkoimpedančnímu uzemnění přes nejkratší vodič. (Poznámka: Protože většina čipů A/D převodníku nespojuje analogové a digitální uzemnění dohromady, musí být analogové a digitální uzemnění připojeno přes externí kolíky.) Jakákoli externí impedance připojená k DGND bude procházet parazitní kapacitou. Více digitálního šumu je spojeno s analogovými obvody uvnitř IC. Podle tohoto doporučení je nutné připojit piny AGND a DGND A/D převodníku k analogové zemi, ale tato metoda způsobí problémy, například zda má být zemnicí svorka kondenzátoru pro oddělení digitálního signálu připojena k analogové zemi. nebo digitální zem.

Jak dosáhnout návrhu oddílů PCB se smíšeným signálem

Pokud má systém pouze jeden A/D převodník, lze výše uvedené problémy snadno vyřešit. Jak je znázorněno na obrázku 3, rozdělte uzemnění a připojte analogové a digitální uzemnění dohromady pod A/D převodníkem. Při použití této metody je nutné zajistit, aby šířka spojovacího můstku mezi dvěma zeměmi byla stejná jako šířka IC a žádná signálová linka nemohla překročit dělicí mezeru.

Pokud je v systému mnoho A/D převodníků, například jak připojit 10 A/D převodníků? Pokud jsou analogové uzemnění a digitální uzemnění propojeny společně pod každým A/D převodníkem, vytvoří se vícebodové spojení a izolace mezi analogovým a digitálním uzemněním postrádá smysl. Pokud se takto nepřipojíte, porušuje to požadavky výrobce.