Zusammenfassung: Der Entwurf einer Mixed-Signal-Schaltung PCB ist sehr kompliziert. Das Layout und die Verdrahtung der Komponenten sowie die Verarbeitung der Stromversorgung und des Erdungskabels wirken sich direkt auf die Leistung der Schaltung und die Leistung der elektromagnetischen Verträglichkeit aus. Das in diesem Artikel vorgestellte Partitionsdesign von Masse und Leistung kann die Leistung von Mixed-Signal-Schaltungen optimieren.

Wie kann man die gegenseitige Beeinflussung zwischen Digitalsignal und Analogsignal reduzieren? Vor dem Entwerfen müssen wir die beiden Grundprinzipien der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) verstehen: Das erste Prinzip besteht darin, die Fläche der Stromschleife zu minimieren; Das zweite Prinzip besteht darin, dass das System nur eine Referenzfläche verwendet. Im Gegensatz dazu ist es möglich, wenn das System zwei Referenzebenen hat, eine Dipolantenne zu bilden (Hinweis: Die Strahlungsgröße einer kleinen Dipolantenne ist proportional zur Länge der Leitung, der fließenden Stromstärke und der Frequenz); und wenn das Signal nicht so viel wie möglich passieren kann Die Rückkehr einer kleinen Schleife kann eine große Schleifenantenne bilden (Hinweis: Die Strahlungsgröße einer kleinen Schleifenantenne ist proportional zur Schleifenfläche, dem durch die Schleife fließenden Strom und dem Quadrat der Frequenz). Vermeiden Sie diese beiden Situationen im Design so weit wie möglich.

Es wird vorgeschlagen, die digitale Masse und die analoge Masse auf der Mixed-Signal-Platine zu trennen, damit die Trennung zwischen der digitalen Masse und der analogen Masse erreicht werden kann. Obwohl dieses Verfahren machbar ist, gibt es viele potenzielle Probleme, insbesondere bei komplexen Großsystemen. Das kritischste Problem besteht darin, dass es nicht über die Teilungslücke geleitet werden kann. Sobald die Teilungslücke verlegt ist, nehmen elektromagnetische Strahlung und Signalübersprechen stark zu. Das häufigste Problem beim PCB-Design besteht darin, dass die Signalleitung die geteilte Masse oder Stromversorgung kreuzt und EMI-Probleme erzeugt.

So erreichen Sie das Partitionsdesign einer Mixed-Signal-PCB

Wie in Abbildung 1 gezeigt, verwenden wir die oben erwähnte Aufteilungsmethode, und die Signalleitung kreuzt die Lücke zwischen den beiden Massen. Was ist der Rückweg des Signalstroms? Angenommen, die beiden geteilten Erdungen sind irgendwo miteinander verbunden (normalerweise eine einzelne Punktverbindung an einer bestimmten Stelle), in diesem Fall bildet der Erdstrom eine große Schleife. Der durch die große Schleife fließende hochfrequente Strom erzeugt Strahlung und eine hohe Erdinduktivität. Wenn der analoge Strom mit niedrigem Pegel durch die große Schleife fließt, wird der Strom leicht durch externe Signale gestört. Das Schlimmste ist, dass, wenn die geteilten Masse an der Stromversorgung miteinander verbunden werden, eine sehr große Stromschleife gebildet wird. Außerdem sind die analoge Masse und die digitale Masse durch einen langen Draht verbunden, um eine Dipolantenne zu bilden.

Das Verständnis des Pfades und der Methode der Stromrückführung zur Masse ist der Schlüssel zur Optimierung des Mixed-Signal-Leiterplattendesigns. Viele Konstrukteure berücksichtigen nur, wo der Signalstrom fließt, und ignorieren den spezifischen Weg des Stroms. Wenn die Erdungsschicht geteilt werden muss und die Verkabelung durch die Lücke zwischen den Teilungen geführt werden muss, kann eine Einzelpunktverbindung zwischen den geteilten Erdungen hergestellt werden, um eine Verbindungsbrücke zwischen den beiden Erden zu bilden, und dann durch die Verbindungsbrücke verdrahten . Auf diese Weise kann unter jeder Signalleitung ein Gleichstromrückweg bereitgestellt werden, so dass die gebildete Schleifenfläche klein ist.

Die Verwendung von optischen Trennvorrichtungen oder Transformatoren kann das Signal auch über die Segmentierungslücke hinweg erreichen. Für erstere ist es das optische Signal, das die Segmentierungslücke durchquert; im Fall eines Transformators ist es das Magnetfeld, das die Segmentierungslücke durchquert. Ein anderes praktikables Verfahren ist die Verwendung von Differenzsignalen: Das Signal fließt von einer Leitung ein und kehrt von einer anderen Signalleitung zurück. In diesem Fall wird der Boden als Rückweg nicht benötigt.

Um die Interferenz digitaler Signale mit analogen Signalen eingehend zu untersuchen, müssen wir zunächst die Eigenschaften hochfrequenter Ströme verstehen. Wählen Sie bei hochfrequenten Strömen immer den Weg mit der geringsten Impedanz (geringste Induktivität) und direkt unterhalb des Signals, damit der Rückstrom durch die benachbarte Schaltungsschicht fließt, unabhängig davon, ob die benachbarte Schicht die Leistungsschicht oder die Masseschicht ist .

Bei der tatsächlichen Arbeit ist es im Allgemeinen geneigt, eine einheitliche Masse zu verwenden und die Leiterplatte in einen analogen Teil und einen digitalen Teil zu unterteilen. Das analoge Signal wird im analogen Bereich aller Lagen der Leiterplatte geroutet und das digitale Signal wird im digitalen Schaltungsbereich geroutet. In diesem Fall fließt der Rückstrom des digitalen Signals nicht in die analoge Signalmasse.

Nur wenn das digitale Signal auf dem analogen Teil der Platine verdrahtet ist oder das analoge Signal auf dem digitalen Teil der Platine verdrahtet ist, treten die Interferenzen des digitalen Signals mit dem analogen Signal auf. Diese Art von Problem tritt nicht auf, weil keine geteilte Masse vorhanden ist, der wahre Grund ist die falsche Verdrahtung des digitalen Signals.

Das PCB-Design verwendet eine einheitliche Masse, durch die digitale Schaltung und die analoge Schaltungsaufteilung und eine geeignete Signalverdrahtung, kann normalerweise einige schwierigere Layout- und Verdrahtungsprobleme lösen und verursacht gleichzeitig keine potenziellen Probleme, die durch die Masseteilung verursacht werden. In diesem Fall wird das Layout und die Aufteilung der Komponenten zum Schlüssel zur Bestimmung der Vor- und Nachteile des Designs. Bei vernünftiger Auslegung wird der digitale Erdstrom auf den digitalen Teil der Platine begrenzt und stört das analoge Signal nicht. Diese Verkabelung muss sorgfältig geprüft und verifiziert werden, um sicherzustellen, dass die Verkabelungsregeln zu 100% eingehalten werden. Andernfalls zerstört eine unsachgemäße Verlegung einer Signalleitung eine ansonsten sehr gute Platine vollständig.

Beim Verbinden der analogen Masse- und digitalen Massepins des A/D-Wandlers empfehlen die meisten A/D-Wandler-Hersteller: Verbinden Sie die AGND- und DGND-Pins über das kürzeste Kabel mit derselben niederohmigen Masse. (Hinweis: Da die meisten A/D-Wandlerchips die analoge Masse und die digitale Masse nicht miteinander verbinden, müssen die analoge und die digitale Masse über externe Pins verbunden werden.) Jede externe Impedanz, die an DGND angeschlossen ist, lässt parasitäre Kapazitäten durch. Mehr digitales Rauschen wird an die analogen Schaltungen innerhalb des ICs gekoppelt. Gemäß dieser Empfehlung müssen Sie die AGND- und DGND-Pins des A/D-Wandlers mit der analogen Masse verbinden, aber diese Methode führt zu Problemen, z. B. ob die Masseklemme des digitalen Signalentkopplungskondensators mit der analogen Masse verbunden werden sollte oder der digitale Boden.

So erreichen Sie das Partitionsdesign einer Mixed-Signal-PCB

Wenn das System nur einen A/D-Wandler hat, können die obigen Probleme leicht gelöst werden. Wie in Abbildung 3 gezeigt, teilen Sie die Masse und verbinden Sie die analoge Masse und die digitale Masse unter dem A/D-Wandler. Bei Anwendung dieses Verfahrens muss sichergestellt werden, dass die Breite der Verbindungsbrücke zwischen den beiden Massen gleich der Breite des ICs ist und keine Signalleitung die Teilungslücke überqueren kann.

Wenn zum Beispiel viele A/D-Wandler im System vorhanden sind, wie werden dann 10 A/D-Wandler angeschlossen? Wenn die analoge Masse und die digitale Masse unter jedem A/D-Wandler miteinander verbunden sind, wird eine Mehrpunktverbindung erzeugt und die Trennung zwischen der analogen Masse und der digitalen Masse ist bedeutungslos. Wenn Sie auf diese Weise keine Verbindung herstellen, verstößt dies gegen die Anforderungen des Herstellers.