PCB Das Design einer Mixed-Signal-Schaltung 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 Dokument vorgestellte Partitionsdesign von Masse und Stromversorgung kann die Leistung von Mixed-Signal-Schaltungen optimieren.

Wie kann man die Interferenzen zwischen digitalen und analogen Signalen reduzieren? Zwei Grundprinzipien der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) müssen vor dem Design verstanden werden: Das erste Prinzip besteht darin, die Fläche der Stromschleife zu minimieren; Das zweite Prinzip besteht darin, dass das System nur eine Referenzebene verwendet. Wenn das System dagegen zwei Referenzebenen hat, ist es möglich, eine Dipolantenne zu bilden (Anmerkung: Die Strahlung einer kleinen Dipolantenne ist proportional zur Länge der Leitung, der fließenden Stromstärke und der Frequenz). Wenn das Signal nicht durch die kleinstmögliche Schleife zurückkehrt, kann eine große kreisförmige Antenne gebildet werden. Vermeiden Sie beides in Ihrem Design so weit wie möglich.

Es wurde vorgeschlagen, die digitale Masse und die analoge Masse auf der Mischsignal-Leiterplatte zu trennen, um eine Isolierung zwischen der digitalen Masse und der analogen Masse zu erreichen. Obwohl dieser Ansatz machbar ist, birgt er viele potenzielle Probleme, insbesondere bei großen und komplexen Systemen. Das kritischste Problem besteht darin, die Verdrahtung der Trennlücke nicht zu überqueren, denn wenn die Verdrahtung der Trennlücke einmal überschritten ist, werden elektromagnetische Strahlung und Signalnebensprechen dramatisch zunehmen. Das häufigste Problem beim PCB-Design ist das EMI-Problem, das dadurch verursacht wird, dass die Signalleitung die Masse oder die Stromversorgung überquert.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, verwenden wir die obige Segmentierungsmethode und die Signalleitung überspannt die Lücke zwischen den beiden Masse. Was ist der Rückweg des Signalstroms? Angenommen, die beiden geteilten Lands sind an einem Punkt verbunden (normalerweise ein einzelner Punkt an einem Punkt), in diesem Fall bildet der Erdstrom eine große Schleife. Der durch die große Schleife fließende Hochfrequenzstrom erzeugt Strahlung und eine hohe Erdinduktivität. Wenn der durch die große Schleife fließende Analogstrom mit niedrigem Pegel leicht durch externe Signale gestört werden kann. Das Schlimmste ist, dass, wenn die Abschnitte an der Stromquelle miteinander verbunden werden, eine sehr große Stromschleife gebildet wird. Außerdem bilden analoge und digitale Masse, die über einen langen Draht verbunden sind, eine Dipolantenne.

Das Verständnis des Pfades und der Art des Stromrückflusses zur Masse ist der Schlüssel zur Optimierung des Mixed-Signal-Leiterplattendesigns. Viele Konstrukteure berücksichtigen nur, wo der Signalstrom fließt, und ignorieren dabei den spezifischen Weg des Stroms. Wenn die Erdungsschicht unterteilt werden muss und durch den Spalt zwischen den Trennwänden geführt werden muss, kann eine Einzelpunktverbindung zwischen dem unterteilten Boden hergestellt werden, um eine Verbindungsbrücke zwischen den beiden Erdungsschichten zu bilden, und dann durch die Verbindungsbrücke geführt werden. Auf diese Weise kann unterhalb jeder Signalleitung ein Gleichstrom-Rückflusspfad bereitgestellt werden, was zu einer kleinen Schleifenfläche führt.

Optische Trennvorrichtungen oder Transformatoren können auch verwendet werden, um das Signal zu realisieren, das die Segmentierungslücke durchquert. Bei ersterem ist es das optische Signal, das die Segmentierungslücke überspannt. Bei einem Transformator ist es das Magnetfeld, das den Trennspalt überspannt. Auch Differenzsignale sind möglich: Signale fließen von einer Leitung ein und von der anderen zurück und werden dann unnötigerweise als Rückflusspfade verwendet.

Um die Interferenz von digitalen Signalen zu analogen Signalen zu untersuchen, müssen wir zunächst die Eigenschaften von Hochfrequenzstrom verstehen. Der Hochfrequenzstrom wählt immer den Pfad mit der niedrigsten Impedanz (Induktivität) direkt unter dem Signal, sodass der Rückstrom durch die benachbarte Schaltungsschicht fließt, unabhängig davon, ob die benachbarte Schicht die Stromversorgungsschicht oder die Masseschicht ist.

In der Praxis wird im Allgemeinen bevorzugt, eine einheitliche PCB-Aufteilung in analoge und digitale Teile zu verwenden. Analoge Signale werden im analogen Bereich aller Schichten der Platine geroutet, während digitale Signale im digitalen Schaltungsbereich geroutet werden. In diesem Fall fließt der Rückstrom des digitalen Signals nicht in die Masse des analogen Signals.

Interferenzen von digitalen Signalen zu analogen Signalen treten nur auf, wenn die digitalen Signale über die digitalen Teile der Platine geleitet werden oder analoge Signale übergeleitet werden. Dieses Problem liegt nicht an der fehlenden Segmentierung, der wahre Grund ist die unsachgemäße Verdrahtung der digitalen Signale.

Das PCB-Design verwendet vereinheitlicht, durch die digitale Schaltung und die analoge Schaltungsaufteilung und eine geeignete Signalverdrahtung, kann normalerweise einige der schwierigeren Layout- und Verdrahtungsprobleme lösen, hat aber auch keine potenziellen Probleme, die durch Massesegmentierung verursacht werden. In diesem Fall werden das Layout und die Aufteilung der Komponenten entscheidend für die Qualität des Designs. Bei richtiger Auslegung wird der digitale Erdstrom auf den digitalen Teil der Platine begrenzt und stört das analoge Signal nicht. Diese Verkabelung muss sorgfältig geprüft und überprüft werden, um eine 100%ige Übereinstimmung mit den Verkabelungsregeln zu gewährleisten. Andernfalls zerstört eine falsche Signalleitung eine sehr gute Platine vollständig.

Beim Verbinden von analogen und digitalen Massepins von A/D-Wandlern empfehlen die meisten Hersteller von A/D-Wandlern, die AGND- und DGND-Pins mit den kürzesten Leitungen an dieselbe niederohmige Masse anzuschließen (Hinweis: Da die meisten A/D-Wandlerchips analoge und digitale Masse nicht intern miteinander verbinden, müssen die analoge und digitale Masse über externe Pins verbunden werden). Kapazität. Dieser Empfehlung folgend, müssen sowohl die AGND- als auch die DGND-Pins des A/D-Wandlers mit der analogen Masse verbunden werden, aber dieser Ansatz wirft Fragen auf, z. B. ob das Masseende des digitalen Signalentkopplungskondensators mit der analogen oder digitalen Masse verbunden werden sollte.

Wenn das System nur einen A/D-Wandler hat, kann das obige Problem leicht gelöst werden. Wie in Abbildung 3 gezeigt, wird die Masse geteilt und die analogen und digitalen Masseabschnitte unter dem A/D-Wandler miteinander verbunden. Wenn dieses Verfahren angewendet wird, muss sichergestellt werden, dass die Brückenbreite zwischen den beiden Stellen gleich der IC-Breite ist und dass keine Signalleitung den Trennspalt überqueren kann.

Wenn das System viele A/D-Wandler hat, zum Beispiel 10 A/D-Wandler, wie wird angeschlossen? Wenn unter jedem A/D-Wandler analoge und digitale Masse angeschlossen sind, entsteht eine Mehrpunktverbindung, und die Trennung zwischen analoger und digitaler Masse ist bedeutungslos. Wenn Sie dies nicht tun, verstoßen Sie gegen die Anforderungen des Herstellers.

Der beste Weg ist, mit einer Uniform zu beginnen. Wie in Abbildung 4 gezeigt, ist die Masse gleichmäßig in analoge und digitale Teile unterteilt. Dieses Layout erfüllt nicht nur die Anforderungen der IC-Gerätehersteller nach einer niederohmigen Verbindung von analogen und digitalen Massepins, sondern vermeidet auch EMV-Probleme durch Rahmenantennen oder Dipolantennen.

Wenn Sie Zweifel an dem einheitlichen Ansatz des Mixed-Signal-PCB-Designs haben, können Sie die Methode der Masseschichtpartitionierung verwenden, um die gesamte Leiterplatte zu belegen und zu verlegen. Beim Design sollte darauf geachtet werden, dass die Platine im späteren Experiment einfach mit Jumpern oder 0 Ohm-Widerständen verbunden werden kann, die weniger als 1/2 Zoll voneinander entfernt sind. Achten Sie bei der Zonierung und Verdrahtung darauf, dass auf allen Layern keine digitalen Signalleitungen über dem analogen Bereich und keine analogen Signalleitungen über dem digitalen Bereich liegen. Darüber hinaus sollte keine Signalleitung die Masselücke kreuzen oder die Lücke zwischen den Stromquellen teilen. Um die Funktion und die EMV-Leistung der Platine zu testen, testen Sie die Funktion und EMV-Leistung der Platine erneut, indem Sie die beiden Etagen über einen 0-Ohm-Widerstand oder einen Jumper miteinander verbinden. Beim Vergleich der Testergebnisse zeigte sich, dass in fast allen Fällen die vereinheitlichte Lösung hinsichtlich Funktionalität und EMV-Leistung der Split-Lösung überlegen war.

Funktioniert die Methode der Landteilung noch?

Dieser Ansatz kann in drei Situationen verwendet werden: Einige medizinische Geräte erfordern einen sehr geringen Leckstrom zwischen Stromkreisen und Systemen, die mit dem Patienten verbunden sind; Der Ausgang einiger industrieller Prozesssteuerungsgeräte kann mit lauten und leistungsstarken elektromechanischen Geräten verbunden sein; Ein anderer Fall ist, wenn das LAYOUT der Leiterplatte bestimmten Einschränkungen unterliegt.

Auf einer Mixed-Signal-Leiterplatte befinden sich normalerweise separate digitale und analoge Netzteile, die eine geteilte Stromversorgungsfläche haben können und sollten. Jedoch können die Signalleitungen neben der Stromversorgungsschicht die Lücke zwischen den Stromversorgungen nicht überqueren, und alle Signalleitungen, die die Lücke kreuzen, müssen auf der Schaltungsschicht neben der großen Fläche angeordnet sein. In einigen Fällen kann das analoge Netzteil mit PCB-Anschlüssen statt mit einer Fläche ausgelegt werden, um eine Aufspaltung der Stromfläche zu vermeiden.

Partitionsdesign der Mixed-Signal-Platine

Mixed-Signal PCB Design ist ein komplexer Prozess, der Designprozess sollte auf folgende Punkte achten:

1. Teilen Sie die Platine in separate analoge und digitale Teile auf.

2. Richtiges Komponentenlayout.

3. Der A/D-Wandler wird über Partitionen hinweg platziert.

4. Teilen Sie den Boden nicht. Der Analogteil und der Digitalteil der Platine werden einheitlich verlegt.

5. In allen Lagen der Platine kann das digitale Signal nur im digitalen Teil der Platine geroutet werden.

6. In allen Lagen der Platine können analoge Signale nur im analogen Teil der Platine geroutet werden.

7. Analoge und digitale Stromtrennung.

8. Die Verdrahtung sollte die Lücke zwischen den geteilten Netzteiloberflächen nicht überspannen.

9. Die Signalleitungen, die die Lücke zwischen den geteilten Netzteilen überbrücken müssen, sollten auf der Verdrahtungsebene großflächig angeordnet werden.

10. Analysieren Sie den tatsächlichen Weg und die Art des Erdstromflusses.

11. Verwenden Sie die richtigen Verdrahtungsregeln.