Πώς να επιτύχετε τη σχεδίαση διαμερισμάτων PCB μικτού σήματος;

Περίληψη: Ο σχεδιασμός του κυκλώματος μικτού σήματος PCB είναι πολύ περίπλοκο. Η διάταξη και η καλωδίωση των εξαρτημάτων και η επεξεργασία του τροφοδοτικού και του καλωδίου γείωσης θα επηρεάσουν άμεσα την απόδοση του κυκλώματος και την απόδοση της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας. Ο σχεδιασμός διαμερισμάτων γείωσης και ισχύος που εισάγεται σε αυτό το άρθρο μπορεί να βελτιστοποιήσει την απόδοση των κυκλωμάτων μικτού σήματος.

ipcb

Πώς να μειώσετε την αμοιβαία παρεμβολή μεταξύ ψηφιακού και αναλογικού σήματος; Πριν από το σχεδιασμό, πρέπει να κατανοήσουμε τις δύο βασικές αρχές της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC): Η πρώτη αρχή είναι η ελαχιστοποίηση της περιοχής του βρόχου ρεύματος. η δεύτερη αρχή είναι ότι το σύστημα χρησιμοποιεί μόνο μία επιφάνεια αναφοράς. Αντίθετα, εάν το σύστημα έχει δύο επίπεδα αναφοράς, είναι δυνατό να σχηματιστεί μια διπολική κεραία (Σημείωση: το μέγεθος ακτινοβολίας μιας μικρής διπολικής κεραίας είναι ανάλογο με το μήκος της γραμμής, την ποσότητα του ρεύματος που ρέει και τη συχνότητα). και εάν το σήμα δεν μπορεί να περάσει όσο το δυνατόν περισσότερο Η επιστροφή ενός μικρού βρόχου μπορεί να σχηματίσει μια κεραία μεγάλου βρόχου (Σημείωση: το μέγεθος ακτινοβολίας μιας κεραίας μικρού βρόχου είναι ανάλογο με την περιοχή βρόχου, το ρεύμα που διαρρέει τον βρόχο και το τετράγωνο της συχνότητας). Αποφύγετε αυτές τις δύο καταστάσεις όσο το δυνατόν περισσότερο στο σχεδιασμό.

Προτείνεται ο διαχωρισμός της ψηφιακής γείωσης και της αναλογικής γείωσης στην πλακέτα κυκλώματος μικτού σήματος, έτσι ώστε να μπορεί να επιτευχθεί η απομόνωση μεταξύ της ψηφιακής γείωσης και της αναλογικής γείωσης. Αν και αυτή η μέθοδος είναι εφικτή, υπάρχουν πολλά πιθανά προβλήματα, ειδικά σε πολύπλοκα συστήματα μεγάλης κλίμακας. Το πιο κρίσιμο πρόβλημα είναι ότι δεν μπορεί να δρομολογηθεί κατά μήκος του κενού διαίρεσης. Μόλις δρομολογηθεί το διάκενο διαίρεσης, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και η αλληλεπίδραση σήματος θα αυξηθούν απότομα. Το πιο συνηθισμένο πρόβλημα στο σχεδιασμό PCB είναι ότι η γραμμή σήματος διασχίζει τη διαιρεμένη γείωση ή την τροφοδοσία ρεύματος και δημιουργεί προβλήματα EMI.

Πώς να επιτύχετε τη σχεδίαση διαμερισμάτων PCB μικτού σήματος

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, χρησιμοποιούμε την προαναφερθείσα μέθοδο διαίρεσης και η γραμμή σήματος διασχίζει το κενό μεταξύ των δύο γειώσεων. Ποια είναι η διαδρομή επιστροφής του ρεύματος σήματος; Υποθέτοντας ότι οι δύο γειώσεις που χωρίζονται συνδέονται μεταξύ τους κάπου (συνήθως μια σύνδεση ενός σημείου σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία), σε αυτήν την περίπτωση, το ρεύμα γείωσης θα σχηματίσει έναν μεγάλο βρόχο. Το ρεύμα υψηλής συχνότητας που ρέει μέσω του μεγάλου βρόχου παράγει ακτινοβολία και υψηλή επαγωγή γείωσης. Εάν το αναλογικό ρεύμα χαμηλής στάθμης ρέει μέσω του μεγάλου βρόχου, το ρεύμα παρεμβάλλεται εύκολα από εξωτερικά σήματα. Το χειρότερο είναι ότι όταν οι διαιρεμένες γειώσεις συνδέονται μεταξύ τους στο τροφοδοτικό, θα σχηματιστεί ένας πολύ μεγάλος βρόχος ρεύματος. Επιπλέον, η αναλογική γείωση και η ψηφιακή γείωση συνδέονται με ένα μακρύ καλώδιο για να σχηματίσουν μια διπολική κεραία.

Η κατανόηση της διαδρομής και της μεθόδου επιστροφής ρεύματος στη γείωση είναι το κλειδί για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού της πλακέτας κυκλώματος μικτού σήματος. Πολλοί μηχανικοί σχεδιασμού εξετάζουν μόνο πού ρέει το ρεύμα του σήματος και αγνοούν τη συγκεκριμένη διαδρομή του ρεύματος. Εάν το στρώμα γείωσης πρέπει να διαιρεθεί και η καλωδίωση πρέπει να δρομολογηθεί μέσα από το διάκενο μεταξύ των διαιρέσεων, μπορεί να γίνει μια σύνδεση ενός σημείου μεταξύ των χωρισμένων γειώσεων για να σχηματιστεί μια γέφυρα σύνδεσης μεταξύ των δύο γειώσεων και στη συνέχεια καλωδίωση μέσω της γέφυρας σύνδεσης . Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να παρέχεται μια διαδρομή επιστροφής συνεχούς ρεύματος κάτω από κάθε γραμμή σήματος, έτσι ώστε η περιοχή βρόχου που σχηματίζεται να είναι μικρή.

Η χρήση συσκευών οπτικής απομόνωσης ή μετασχηματιστών μπορεί επίσης να επιτύχει το σήμα κατά μήκος του κενού τμηματοποίησης. Για το πρώτο, είναι το οπτικό σήμα που διασχίζει το χάσμα τμηματοποίησης. στην περίπτωση ενός μετασχηματιστή, είναι το μαγνητικό πεδίο που διασχίζει το χάσμα κατάτμησης. Μια άλλη εφικτή μέθοδος είναι η χρήση διαφορικών σημάτων: το σήμα εισέρχεται από μια γραμμή και επιστρέφει από μια άλλη γραμμή σήματος. Σε αυτή την περίπτωση, το έδαφος δεν χρειάζεται ως διαδρομή επιστροφής.

To deeply explore the interference of digital signals to analog signals, we must first understand the characteristics of high-frequency currents. For high-frequency currents, always choose the path with the least impedance (lowest inductance) and directly below the signal, so the return current will flow through the adjacent circuit layer, regardless of whether the adjacent layer is the power layer or the ground layer.

In actual work, it is generally inclined to use a unified ground, and divide the PCB into an analog part and a digital part. The analog signal is routed in the analog area of ​​all layers of the circuit board, and the digital signal is routed in the digital circuit area. In this case, the digital signal return current will not flow into the analog signal ground.

Μόνο όταν το ψηφιακό σήμα είναι καλωδιωμένο στο αναλογικό τμήμα της πλακέτας κυκλώματος ή το αναλογικό σήμα είναι καλωδιωμένο στο ψηφιακό τμήμα της πλακέτας κυκλώματος, θα εμφανιστεί η παρεμβολή του ψηφιακού σήματος στο αναλογικό σήμα. Αυτό το είδος προβλήματος δεν παρουσιάζεται επειδή δεν υπάρχει διαιρεμένη γείωση, ο πραγματικός λόγος είναι η ακατάλληλη καλωδίωση του ψηφιακού σήματος.

Ο σχεδιασμός PCB υιοθετεί ενοποιημένη γείωση, μέσω ψηφιακού κυκλώματος και διαμερίσματος αναλογικού κυκλώματος και κατάλληλης καλωδίωσης σήματος, συνήθως μπορεί να λύσει μερικά πιο δύσκολα προβλήματα διάταξης και καλωδίωσης και ταυτόχρονα, δεν θα προκαλέσει κάποια πιθανά προβλήματα που προκαλούνται από τη διαίρεση γείωσης. Σε αυτή την περίπτωση, η διάταξη και ο διαχωρισμός των εξαρτημάτων γίνεται το κλειδί για τον προσδιορισμό των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων του σχεδιασμού. Εάν η διάταξη είναι λογική, το ψηφιακό ρεύμα γείωσης θα περιοριστεί στο ψηφιακό τμήμα της πλακέτας κυκλώματος και δεν θα παρεμβαίνει στο αναλογικό σήμα. Αυτές οι καλωδιώσεις πρέπει να επιθεωρούνται προσεκτικά και να επαληθεύονται για να διασφαλιστεί ότι οι κανόνες καλωδίωσης τηρούνται 100%. Διαφορετικά, η ακατάλληλη δρομολόγηση μιας γραμμής σήματος θα καταστρέψει εντελώς μια κατά τα άλλα πολύ καλή πλακέτα κυκλώματος.

Κατά τη σύνδεση των ακροδεκτών αναλογικής γείωσης και ψηφιακής γείωσης του μετατροπέα A/D μαζί, οι περισσότεροι κατασκευαστές μετατροπέων A/D θα πρότειναν: Συνδέστε τους ακροδέκτες AGND και DGND στην ίδια γείωση χαμηλής σύνθετης αντίστασης μέσω του συντομότερου καλωδίου. (Σημείωση: Επειδή τα περισσότερα τσιπ μετατροπέα A/D δεν συνδέουν την αναλογική γείωση και την ψηφιακή γείωση μεταξύ τους, η αναλογική και η ψηφιακή γείωση πρέπει να συνδεθούν μέσω εξωτερικών ακίδων.) Οποιαδήποτε εξωτερική σύνθετη αντίσταση συνδεδεμένη στο DGND θα περάσει από παρασιτική χωρητικότητα. Περισσότερος ψηφιακός θόρυβος συνδέεται με τα αναλογικά κυκλώματα μέσα στο IC. Σύμφωνα με αυτήν τη σύσταση, πρέπει να συνδέσετε τις ακίδες AGND και DGND του μετατροπέα A/D στην αναλογική γείωση, αλλά αυτή η μέθοδος θα προκαλέσει προβλήματα όπως εάν ο ακροδέκτης γείωσης του πυκνωτή αποσύνδεσης ψηφιακού σήματος πρέπει να συνδεθεί στην αναλογική γείωση ή το ψηφιακό έδαφος.

Πώς να επιτύχετε τη σχεδίαση διαμερισμάτων PCB μικτού σήματος

Εάν το σύστημα διαθέτει μόνο έναν μετατροπέα A/D, τα παραπάνω προβλήματα μπορούν να λυθούν εύκολα. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 3, διαιρέστε τη γείωση και συνδέστε την αναλογική γείωση και την ψηφιακή γείωση μαζί κάτω από τον μετατροπέα A/D. Κατά την υιοθέτηση αυτής της μεθόδου, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι το πλάτος της γέφυρας σύνδεσης μεταξύ των δύο γειώσεων είναι το ίδιο με το πλάτος του IC και οποιαδήποτε γραμμή σήματος δεν μπορεί να διασχίσει το διάκενο διαίρεσης.

Εάν υπάρχουν πολλοί μετατροπείς A/D στο σύστημα, για παράδειγμα, πώς να συνδέσετε 10 μετατροπείς A/D; Εάν η αναλογική γείωση και η ψηφιακή γείωση συνδέονται μεταξύ τους κάτω από κάθε μετατροπέα A/D, δημιουργείται σύνδεση πολλών σημείων και η απομόνωση μεταξύ της αναλογικής γείωσης και της ψηφιακής γείωσης δεν έχει νόημα. Εάν δεν συνδεθείτε με αυτόν τον τρόπο, παραβιάζει τις απαιτήσεις του κατασκευαστή.