PCB návrh obvodu smíšeného signálu je velmi komplikovaný. Uspořádání a zapojení součástí a zpracování napájecího zdroje a zemnícího vodiče přímo ovlivní výkon obvodu a výkon elektromagnetické kompatibility. Návrh rozdělení uzemnění a napájení představený v tomto článku může optimalizovat výkon obvodů se smíšeným signálem.

Jak snížit rušení mezi digitálními a analogovými signály? Před návrhem je třeba pochopit dva základní principy elektromagnetické kompatibility (EMC): prvním principem je minimalizace oblasti proudové smyčky; Druhým principem je, že systém používá pouze jednu referenční rovinu. Naopak, pokud má systém dvě referenční roviny, je možné vytvořit dipólovou anténu (pozn. vyzařování malé dipólové antény je úměrné délce vedení, velikosti protékajícího proudu a frekvenci). Pokud se signál nevrátí přes nejmenší možnou smyčku, může se vytvořit velká kruhová anténa. Obojímu se ve svém návrhu co nejvíce vyhněte.

Bylo navrženo oddělit digitální zem a analogovou zem na desce plošných spojů se smíšeným signálem, aby se dosáhlo izolace mezi digitální zemí a analogovou zemí. Ačkoli je tento přístup proveditelný, má mnoho potenciálních problémů, zejména ve velkých a složitých systémech. Nejkritičtějším problémem je nepřekročit kabeláž mezi přepážkou, jakmile překročíte kabeláž přepážky, elektromagnetické záření a přeslechy signálu se dramaticky zvýší. Nejčastějším problémem v návrhu PCB je problém EMI způsobený signálním vedením procházejícím zemí nebo napájecím zdrojem.

Jak je znázorněno na obrázku 1, používáme výše uvedenou metodu segmentace a signálové vedení překlenuje mezeru mezi dvěma uzemněními, jaká je zpětná cesta proudu signálu? Předpokládejme, že dvě rozdělené země jsou v určitém bodě spojeny (obvykle jeden bod v jednom bodě), v takovém případě zemní proud vytvoří velkou smyčku. Vysokofrekvenční proud protékající velkou smyčkou bude generovat záření a vysokou zemní indukčnost. Pokud je nízkoúrovňový analogový proud protékající velkou smyčkou snadno rušen vnějšími signály. Nejhorší je, že když se sekce spojí u zdroje energie, vytvoří se velmi velká proudová smyčka. Navíc analogová a digitální zem spojená dlouhým drátem tvoří dipólovou anténu.

Pochopení cesty a režimu zpětného toku proudu k zemi je klíčem k optimalizaci návrhu desky plošných spojů se smíšeným signálem. Mnoho konstruktérů zvažuje pouze to, kudy proudí signál, přičemž ignorují konkrétní cestu proudu. Pokud musí být zemní vrstva přepažena a musí být vedena mezerou mezi přepážkami, může být vytvořeno jednobodové spojení mezi přepážkovou zemí, aby se vytvořil spojovací můstek mezi dvěma zemními vrstvami, a pak vedeno přes spojovací můstek. Tímto způsobem může být pod každým signálovým vedením poskytnuta cesta zpětného toku stejnosměrného proudu, což má za následek malou oblast smyčky.

K realizaci signálu procházejícího segmentační mezerou lze také použít optická izolační zařízení nebo transformátory. V prvním případě je to optický signál, který překlenuje mezeru segmentace. V případě transformátoru je to magnetické pole, které překlenuje přepážkovou mezeru. Diferenciální signály jsou také možné: signály proudí z jednoho vedení a vracejí se z druhého, v takovém případě se zbytečně používají jako zpětné toky.

Abychom prozkoumali interferenci digitálního signálu s analogovým, musíme nejprve porozumět charakteristikám vysokofrekvenčního proudu. Vysokofrekvenční proud volí vždy cestu s nejnižší impedancí (indukčností) přímo pod signálem, takže zpětný proud bude protékat sousední vrstvou obvodu bez ohledu na to, zda je sousední vrstvou napájecí vrstva nebo zemní vrstva.

V praxi je obecně preferováno použití jednotného rozdělení PCB na analogovou a digitální část. Analogové signály jsou směrovány v analogové oblasti všech vrstev desky, zatímco digitální signály jsou směrovány v oblasti digitálních obvodů. V tomto případě zpětný proud digitálního signálu neteče do země analogového signálu.

K interferenci mezi digitálními signály a analogovými signály dochází pouze tehdy, když jsou digitální signály směrovány přes digitální části desky plošných spojů nebo jsou analogové signály směrovány přes digitální části desky plošných spojů. Tento problém není způsoben nedostatečnou segmentací, skutečným důvodem je nesprávné zapojení digitálních signálů.

Návrh desky plošných spojů využívá sjednocené rozdělení digitálních obvodů a analogových obvodů a vhodné signálové zapojení, obvykle může vyřešit některé složitější problémy s uspořádáním a zapojením, ale také nemá žádné potenciální problémy způsobené segmentací země. V tomto případě se rozvržení a rozdělení komponent stávají kritickými při určování kvality návrhu. Při správném rozložení bude digitální zemní proud omezen na digitální část desky a nebude rušit analogový signál. Taková elektroinstalace musí být pečlivě zkontrolována a zkontrolována, aby bylo zajištěno 100% dodržování pravidel elektroinstalace. V opačném případě nesprávné signální vedení zcela zničí velmi dobrou desku plošných spojů.

Při spojování analogových a digitálních zemnících kolíků A/D převodníků dohromady většina výrobců A/D převodníků doporučuje připojit kolíky AGND a DGND ke stejnému nízkoimpedančnímu uzemnění pomocí nejkratších vodičů (Poznámka: Protože většina čipů A/D převodníku interně nepropojuje analogové a digitální uzemnění, musí být analogové a digitální uzemnění připojeno prostřednictvím externích kolíků), jakákoli externí impedance připojená k DGND přivede více digitálního šumu do analogového obvodu uvnitř IC přes parazitní kapacitní. V souladu s tímto doporučením musí být piny A/D převodníku AGND i DGND připojeny k analogové zemi, ale tento přístup vyvolává otázky, zda by měl být zemní konec kondenzátoru pro oddělení digitálního signálu připojen k analogové nebo digitální zemi.

Pokud má systém pouze jeden A/D převodník, lze výše uvedený problém snadno vyřešit. Jak je znázorněno na obrázku 3, zem je rozdělena a analogová a digitální zemnící sekce jsou spojeny dohromady pod A/D převodníkem. Když je tato metoda přijata, je nutné zajistit, aby šířka můstku mezi dvěma místy byla rovna šířce IC a aby přes dělicí mezeru nemohlo překročit žádné signální vedení.

Pokud má systém mnoho A/D převodníků, například 10 A/D převodníků, jak se připojit? Pokud je pod každým A/D převodníkem připojeno analogové a digitální uzemnění, vznikne vícebodové spojení a izolace mezi analogovým a digitálním uzemněním postrádá smysl. Pokud tak neučiníte, porušujete požadavky výrobce.

Nejlepší způsob je začít s uniformou. Jak je znázorněno na obrázku 4, zem je rovnoměrně rozdělena na analogovou a digitální část. Toto uspořádání nejen splňuje požadavky výrobců integrovaných obvodů na nízkoimpedanční připojení analogových a digitálních zemnících kolíků, ale také zabraňuje EMC problémům způsobeným smyčkovou anténou nebo dipólovou anténou.

Máte-li pochybnosti o jednotném přístupu návrhu plošných spojů se smíšeným signálem, můžete pro rozložení a vedení celé desky plošných spojů použít metodu rozdělení zemní vrstvy. Při návrhu je třeba věnovat pozornost tomu, aby se deska s obvody dala snadno propojit pomocí propojek nebo odporů 0 ohmů vzdálených od sebe méně než 1/2 palce v pozdějším experimentu. Věnujte pozornost zónování a zapojení, abyste se ujistili, že žádné vedení digitálního signálu není nad analogovou sekcí na všech vrstvách a že žádné vedení analogového signálu není nad digitální sekcí. Kromě toho by žádné signální vedení nemělo překračovat zemnící mezeru nebo rozdělovat mezeru mezi napájecími zdroji. Chcete-li otestovat funkci desky a výkon EMC, znovu otestujte funkci desky a výkon EMC propojením dvou pater dohromady přes odpor nebo propojku 0 ohmů. Porovnáním výsledků testů bylo zjištěno, že téměř ve všech případech bylo unifikované řešení lepší z hlediska funkčnosti a EMC výkonu ve srovnání s rozděleným řešením.

Funguje ještě způsob dělení pozemku?

Tento přístup lze použít ve třech situacích: některá lékařská zařízení vyžadují velmi nízký svodový proud mezi obvody a systémy připojenými k pacientovi; Výstup některých zařízení pro řízení průmyslových procesů může být připojen k hlučným a vysoce výkonným elektromechanickým zařízením; Dalším případem je situace, kdy LAYOUT DPS podléhá specifickým omezením.

Na desce plošných spojů se smíšeným signálem jsou obvykle samostatné digitální a analogové napájecí zdroje, které mohou a měly by mít rozdělený napájecí zdroj. Signální vedení přiléhající k vrstvě napájecího zdroje však nemohou překročit mezeru mezi napájecími zdroji a všechna signálová vedení, která mezeru překročí, musí být umístěna na vrstvě obvodu sousedící s velkou oblastí. V některých případech může být analogový napájecí zdroj navržen s připojením PCB spíše než s jednou stranou, aby se zabránilo rozdělení napájecí plochy.

Návrh příčky DPS se smíšeným signálem

Návrh PCB se smíšeným signálem je složitý proces, proces návrhu by měl věnovat pozornost následujícím bodům:

1. Rozdělte desku plošných spojů na samostatné analogové a digitální části.

2. Správné rozložení součástí.

3. A/D převodník je umístěn napříč oddíly.

4. Nerozdělujte půdu. Analogová část a digitální část desky plošných spojů jsou umístěny rovnoměrně.

5. Ve všech vrstvách desky může být digitální signál směrován pouze v digitální části desky.

6. Ve všech vrstvách desky mohou být analogové signály směrovány pouze do analogové části desky.

7. Analogové a digitální oddělení napájení.

8. Kabeláž by neměla přesahovat mezeru mezi plochami rozděleného napájecího zdroje.

9. Signální vedení, která musí překlenout mezeru mezi rozdělenými napájecími zdroji, by měla být umístěna na elektroinstalační vrstvě sousedící s velkou oblastí.

10. Analyzujte skutečnou cestu a způsob toku zemního proudu.

11. Používejte správná pravidla pro zapojení.