PCB design af blandet signalkredsløb er meget kompliceret. Layoutet og ledningerne af komponenter og behandlingen af ​​strømforsyning og jordledning vil direkte påvirke kredsløbets ydeevne og den elektromagnetiske kompatibilitet. Skillevægsdesignet af jord og strømforsyning introduceret i dette papir kan optimere ydeevnen af ​​blandede signalkredsløb.

Hvordan reducerer man interferensen mellem digitale og analoge signaler? To grundlæggende principper for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) skal forstås før design: det første princip er at minimere arealet af strømsløjfen; Det andet princip er, at systemet kun bruger ét referenceplan. Tværtimod, hvis systemet har to referenceplaner, er det muligt at danne en dipolantenne (bemærk: strålingen fra en lille dipolantenne er proportional med længden af ​​linjen, mængden af ​​strøm, der flyder, og frekvensen). Hvis signalet ikke vender tilbage gennem den mindst mulige sløjfe, kan der dannes en stor cirkulær antenne. Undgå begge dele i dit design så meget som muligt.

Det er blevet foreslået at adskille den digitale jord og den analoge jord på kredsløbskortet med blandet signal for at opnå isolation mellem den digitale jord og den analoge jord. Selvom denne tilgang er gennemførlig, har den mange potentielle problemer, især i store og komplekse systemer. Det mest kritiske problem er ikke at krydse partitionsgabet ledninger, når først krydset skillevægs ledninger, elektromagnetisk stråling og signal krydstale vil stige dramatisk. Det mest almindelige problem i PCB-design er EMI-problem forårsaget af signalledning, der krydser jorden eller strømforsyningen.

Som vist i figur 1 bruger vi ovenstående segmenteringsmetode, og signallinjen spænder over afstanden mellem de to jord, hvad er returvejen for signalstrømmen? Antag, at de to opdelte lande er forbundet på et tidspunkt (normalt et enkelt punkt på et punkt), i hvilket tilfælde jordstrømmen vil danne en stor sløjfe. Den højfrekvente strøm, der strømmer gennem den store sløjfe, vil generere stråling og høj jordinduktans. Hvis den lave analoge strøm, der flyder gennem den store sløjfe, er let at blive forstyrret af eksterne signaler. Det værste er, at når sektionerne kobles sammen ved strømkilden, dannes der en meget stor strømsløjfe. Derudover danner analog og digital jord forbundet med en lang ledning en dipolantenne.

At forstå stien og tilstanden for strømtilbagestrømning til jord er nøglen til at optimere design af kredsløbskort med blandede signaler. Mange designingeniører overvejer kun, hvor signalstrømmen flyder, og ignorerer strømmens specifikke vej. Hvis jordlaget skal opdeles og skal føres gennem mellemrummet mellem skillevæggene, kan der laves en enkeltpunktsforbindelse mellem den opdelte jord for at danne en forbindelsesbro mellem de to jordlag og derefter føres gennem forbindelsesbroen. På denne måde kan der tilvejebringes en tilbagestrømsbane for jævnstrøm under hver signallinje, hvilket resulterer i et lille sløjfeområde.

Optiske isolationsenheder eller transformere kan også bruges til at realisere signalet, der krydser segmenteringsgabet. For førstnævnte er det det optiske signal, der spænder over segmenteringsgabet. I tilfælde af en transformer er det magnetfeltet, der spænder over skillevæggen. Differentiale signaler er også mulige: signaler strømmer ind fra den ene linje og vender tilbage fra den anden, i hvilket tilfælde de bruges som tilbagestrømningsveje unødigt.

For at udforske interferensen mellem digitalt signal og analogt signal skal vi først forstå egenskaberne ved højfrekvent strøm. Højfrekvent strøm vælger altid stien med den laveste impedans (induktans) direkte under signalet, så returstrømmen vil løbe gennem det tilstødende kredsløbslag, uanset om det tilstødende lag er strømforsyningslaget eller jordlaget.

I praksis foretrækkes det generelt at anvende en ensartet PCB-partition i analoge og digitale dele. Analoge signaler dirigeres i det analoge område af alle lag på kortet, mens digitale signaler dirigeres i det digitale kredsløbsområde. I dette tilfælde løber den digitale signalreturstrøm ikke ind i det analoge signals jord.

Interferens fra digitale signaler til analoge signaler opstår kun, når de digitale signaler dirigeres over, eller analoge signaler dirigeres over de digitale dele af printkortet. Dette problem skyldes ikke manglen på segmentering, den virkelige årsag er den ukorrekte ledning af digitale signaler.

PCB-design bruger forenet, gennem det digitale kredsløb og analoge kredsløbspartition og passende signalledninger, kan normalt løse nogle af de mere vanskelige layout- og ledningsproblemer, men har heller ikke nogle potentielle problemer forårsaget af jordsegmentering. I dette tilfælde bliver layoutet og opdelingen af ​​komponenter afgørende for at bestemme kvaliteten af ​​designet. Hvis den er korrekt lagt, vil den digitale jordstrøm være begrænset til den digitale del af kortet og vil ikke forstyrre det analoge signal. Sådanne ledninger skal omhyggeligt kontrolleres og kontrolleres for at sikre 100 % overensstemmelse med ledningsreglerne. Ellers vil en forkert signalledning fuldstændig ødelægge et meget godt printkort.

Når du forbinder analoge og digitale jordben på A/D-konvertere sammen, anbefaler de fleste A/D-konverterproducenter at forbinde AGND- og DGND-benene til den samme lavimpedansjord ved hjælp af de korteste ledninger (Bemærk: Fordi de fleste A/D-konverterchips ikke forbinder analog og digital jord internt, skal den analoge og digitale jord forbindes via eksterne ben), vil enhver ekstern impedans forbundet til DGND koble mere digital støj til det analoge kredsløb inde i IC’en via parasit. kapacitans. Efter denne anbefaling skal både A/D-konverterens AGND- og DGND-stifter forbindes til den analoge jord, men denne tilgang rejser spørgsmål, såsom om jordenden af ​​den digitale signalafkoblingskondensator skal forbindes til den analoge eller digitale jord.

Hvis systemet kun har én A/D-konverter, kan ovenstående problem let løses. Som vist i figur 3 er jorden delt, og de analoge og digitale jordsektioner er forbundet sammen under A/D-konverteren. Når denne metode anvendes, er det nødvendigt at sikre, at brobredden mellem de to steder er lig med IC-bredden, og at ingen signalledning kan krydse skillevæggen.

Hvis systemet har mange A/D-konvertere, f.eks. 10 A/D-konvertere, hvordan forbindes? Hvis analog og digital jord er tilsluttet under hver A/D-konverter, vil en multipunktsforbindelse resultere, og isolationen mellem analog og digital jord vil være meningsløs. Hvis du ikke gør det, overtræder du producentens krav.

Den bedste måde er at starte med en uniform. Som vist i figur 4 er jorden ensartet opdelt i analoge og digitale dele. Dette layout opfylder ikke kun kravene fra IC-enhedsproducenter til lavimpedansforbindelse af analoge og digitale jordben, men undgår også EMC-problemer forårsaget af loop-antenne eller dipolantenne.

Hvis du er i tvivl om den forenede tilgang til PCB-design med blandet signal, kan du bruge metoden til jordlagspartition til at udlægge og dirigere hele printkortet. I designet skal man være opmærksom på at gøre printkortet let at forbinde med jumpere eller 0 ohm modstande med en afstand på mindre end 1/2 tomme fra hinanden i det senere eksperiment. Vær opmærksom på zoneinddeling og ledninger for at sikre, at ingen digitale signallinjer er over den analoge sektion på alle lag, og at ingen analoge signallinjer er over den digitale sektion. Desuden må ingen signalledning krydse jordgabet eller dele mellemrummet mellem strømkilderne. For at teste kortets funktion og EMC-ydelse, testes kortets funktion og EMC-ydeevne igen ved at forbinde de to etager sammen via en 0 ohm modstand eller jumper. Ved at sammenligne testresultaterne viste det sig, at i næsten alle tilfælde var den forenede løsning overlegen med hensyn til funktionalitet og EMC-ydelse sammenlignet med den opdelte løsning.

Virker metoden til at dele jorden stadig?

Denne tilgang kan bruges i tre situationer: nogle medicinske anordninger kræver meget lav lækstrøm mellem kredsløb og systemer forbundet til patienten; Outputtet fra noget industrielt proceskontroludstyr kan være forbundet til støjende og højeffekt elektromekanisk udstyr; Et andet tilfælde er, når udformningen af ​​PCB’et er underlagt specifikke restriktioner.

Der er normalt separate digitale og analoge strømforsyninger på et print med blandet signal, der kan og bør have en delt strømforsyningsflade. Signalledningerne, der støder op til strømforsyningslaget, kan dog ikke krydse mellemrummet mellem strømforsyningerne, og alle signallinjerne, der krydser mellemrummet, skal placeres på kredsløbslaget, der støder op til det store område. I nogle tilfælde kan den analoge strømforsyning designes med PCB-forbindelser i stedet for én side for at undgå opdeling af strømfladen.

Skillevægsdesign af blandet signal PCB

PCB-design med blandet signal er en kompleks proces, designprocessen skal være opmærksom på følgende punkter:

1. Opdel printkortet i separate analoge og digitale dele.

2. Korrekt komponentlayout.

3. A/D-konverter er placeret på tværs af partitioner.

4. Del ikke jorden. Den analoge del og den digitale del af printpladen er lagt ensartet.

5. I alle lag af tavlen kan det digitale signal kun dirigeres i den digitale del af tavlen.

6. I alle lag af tavlen kan analoge signaler kun dirigeres i den analoge del af tavlen.

7. Analog og digital strømadskillelse.

8. Ledninger bør ikke spænde over afstanden mellem de delte strømforsyningsoverflader.

9. Signallinjerne, der skal spænde over mellemrummet mellem de opdelte strømforsyninger, skal placeres på ledningslaget ved siden af ​​et stort område.

10. Analyser den faktiske vej og tilstand for jordstrømmen.

11. Brug korrekte ledningsregler.