PCB Ο σχεδιασμός του κυκλώματος μικτού σήματος είναι πολύ περίπλοκος. 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 τροφοδοσίας που εισάγεται σε αυτό το άρθρο μπορεί να βελτιστοποιήσει την απόδοση των κυκλωμάτων μικτού σήματος.

Πώς να μειώσετε τις παρεμβολές μεταξύ ψηφιακών και αναλογικών σημάτων; Δύο βασικές αρχές της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC) πρέπει να γίνουν κατανοητές πριν από το σχεδιασμό: η πρώτη αρχή είναι η ελαχιστοποίηση της περιοχής του βρόχου ρεύματος. Η δεύτερη αρχή είναι ότι το σύστημα χρησιμοποιεί μόνο ένα επίπεδο αναφοράς. Αντίθετα, εάν το σύστημα έχει δύο επίπεδα αναφοράς, είναι δυνατό να σχηματιστεί μια διπολική κεραία (σημείωση: η ακτινοβολία μιας μικρής διπολικής κεραίας είναι ανάλογη με το μήκος της γραμμής, την ποσότητα του ρεύματος που ρέει και τη συχνότητα). Εάν το σήμα δεν επιστρέψει μέσω του μικρότερου δυνατού βρόχου, μπορεί να σχηματιστεί μια μεγάλη κυκλική κεραία. Αποφύγετε και τα δύο στο σχέδιό σας όσο το δυνατόν περισσότερο.

Έχει προταθεί ο διαχωρισμός της ψηφιακής γείωσης και της αναλογικής γείωσης στην πλακέτα κυκλώματος μικτού σήματος για να επιτευχθεί απομόνωση μεταξύ της ψηφιακής γείωσης και της αναλογικής γείωσης. Αν και αυτή η προσέγγιση είναι εφικτή, έχει πολλά πιθανά προβλήματα, ειδικά σε μεγάλα και πολύπλοκα συστήματα. Το πιο κρίσιμο πρόβλημα είναι να μην διασχίσετε την καλωδίωση του κενού διαμερίσματος, αφού διασταυρωθεί η καλωδίωση του κενού διαμερίσματος, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και η αλληλεπίδραση σήματος θα αυξηθούν δραματικά. Το πιο κοινό πρόβλημα στο σχεδιασμό PCB είναι το πρόβλημα EMI που προκαλείται από τη διέλευση γραμμής σήματος από το έδαφος ή την παροχή ρεύματος.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, χρησιμοποιούμε την παραπάνω μέθοδο τμηματοποίησης και η γραμμή σήματος εκτείνεται στο κενό μεταξύ των δύο γείωσης, ποια είναι η διαδρομή επιστροφής του ρεύματος σήματος; Ας υποθέσουμε ότι τα δύο χωρισμένα εδάφη συνδέονται σε κάποιο σημείο (συνήθως ένα μόνο σημείο σε ένα σημείο), οπότε το ρεύμα γείωσης θα σχηματίσει έναν μεγάλο βρόχο. Το ρεύμα υψηλής συχνότητας που ρέει μέσω του μεγάλου βρόχου θα δημιουργήσει ακτινοβολία και υψηλή επαγωγή εδάφους. Εάν το αναλογικό ρεύμα χαμηλής στάθμης που ρέει μέσω του μεγάλου βρόχου είναι εύκολο να παρεμβληθεί από εξωτερικά σήματα. Το χειρότερο είναι ότι όταν τα τμήματα συνδέονται μεταξύ τους στην πηγή ισχύος, σχηματίζεται ένας πολύ μεγάλος βρόχος ρεύματος. Επιπλέον, η αναλογική και η ψηφιακή γείωση που συνδέονται με ένα μακρύ καλώδιο σχηματίζουν μια διπολική κεραία.

Η κατανόηση της διαδρομής και του τρόπου επιστροφής ρεύματος προς τη 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, αγνοώντας τη συγκεκριμένη διαδρομή του ρεύματος. Εάν το στρώμα γείωσης πρέπει να χωριστεί και πρέπει να δρομολογηθεί μέσα από το διάκενο μεταξύ των χωρισμάτων, μπορεί να γίνει σύνδεση ενός σημείου μεταξύ του χωρισμένου εδάφους για να σχηματιστεί μια γέφυρα σύνδεσης μεταξύ των δύο στρωμάτων γείωσης και στη συνέχεια να δρομολογηθεί μέσω της γέφυρας σύνδεσης. Με αυτόν τον τρόπο, μια διαδρομή αντίστροφης ροής συνεχούς ρεύματος μπορεί να παρέχεται κάτω από κάθε γραμμή σήματος, με αποτέλεσμα μια μικρή περιοχή βρόχου.

Οι συσκευές οπτικής απομόνωσης ή οι μετασχηματιστές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την πραγματοποίηση του σήματος που διασχίζει το κενό κατάτμησης. Για το πρώτο, είναι το οπτικό σήμα που εκτείνεται στο χάσμα τμηματοποίησης. Στην περίπτωση ενός μετασχηματιστή, είναι το μαγνητικό πεδίο που εκτείνεται στο διάκενο διαχωρισμού. Τα διαφορικά σήματα είναι επίσης δυνατά: τα σήματα εισέρχονται από τη μια γραμμή και επιστρέφουν από την άλλη, οπότε χρησιμοποιούνται ως μονοπάτια αντίστροφης ροής χωρίς λόγο.

Για να διερευνήσουμε την παρεμβολή του ψηφιακού σήματος στο αναλογικό σήμα, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τα χαρακτηριστικά του ρεύματος υψηλής συχνότητας. Το ρεύμα υψηλής συχνότητας επιλέγει πάντα τη διαδρομή με τη χαμηλότερη σύνθετη αντίσταση (επαγωγή) ακριβώς κάτω από το σήμα, έτσι το ρεύμα επιστροφής θα ρέει μέσω του διπλανού στρώματος κυκλώματος, ανεξάρτητα από το αν το διπλανό στρώμα είναι το στρώμα τροφοδοσίας ρεύματος ή το στρώμα γείωσης.

Στην πράξη, γενικά προτιμάται η χρήση ομοιόμορφου διαμερίσματος PCB σε αναλογικά και ψηφιακά μέρη. Τα αναλογικά σήματα δρομολογούνται στην αναλογική περιοχή όλων των στρωμάτων της πλακέτας, ενώ τα ψηφιακά σήματα δρομολογούνται στην περιοχή του ψηφιακού κυκλώματος. Σε αυτήν την περίπτωση, το ρεύμα επιστροφής ψηφιακού σήματος δεν ρέει στη γείωση του αναλογικού σήματος.

Παρεμβολές από ψηφιακά σήματα σε αναλογικά σήματα εμφανίζονται μόνο όταν τα ψηφιακά σήματα δρομολογούνται ή τα αναλογικά σήματα δρομολογούνται στα ψηφιακά μέρη της πλακέτας κυκλώματος. Αυτό το πρόβλημα δεν οφείλεται στην έλλειψη τμηματοποίησης, ο πραγματικός λόγος είναι η ακατάλληλη καλωδίωση των ψηφιακών σημάτων.

Ο σχεδιασμός PCB χρησιμοποιεί ενοποιημένα, μέσω του ψηφιακού κυκλώματος και του διαμερίσματος αναλογικού κυκλώματος και της κατάλληλης καλωδίωσης σήματος, συνήθως μπορεί να λύσει μερικά από τα πιο δύσκολα προβλήματα διάταξης και καλωδίωσης, αλλά επίσης δεν έχει κάποιο πιθανό πρόβλημα που προκαλείται από την κατάτμηση γείωσης. Σε αυτή την περίπτωση, η διάταξη και ο διαχωρισμός των εξαρτημάτων καθίσταται κρίσιμη για τον προσδιορισμό της ποιότητας του σχεδιασμού. Εάν τοποθετηθεί σωστά, το ψηφιακό ρεύμα γείωσης θα περιοριστεί στο ψηφιακό τμήμα της πλακέτας και δεν θα παρεμβαίνει στο αναλογικό σήμα. Τέτοιες καλωδιώσεις πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά και να ελέγχονται για να διασφαλίζεται η 100% συμμόρφωση με τους κανόνες καλωδίωσης. Διαφορετικά, μια ακατάλληλη γραμμή σήματος θα καταστρέψει εντελώς μια πολύ καλή πλακέτα κυκλώματος.

Όταν συνδέετε αναλογικές και ψηφιακές ακίδες γείωσης μετατροπέων A/D μαζί, οι περισσότεροι κατασκευαστές μετατροπέων A/D συνιστούν τη σύνδεση των ακίδων AGND και DGND στην ίδια γείωση χαμηλής σύνθετης αντίστασης χρησιμοποιώντας τα μικρότερα καλώδια (Σημείωση: Επειδή τα περισσότερα τσιπ μετατροπέα A/D δεν συνδέουν αναλογική και ψηφιακή γείωση εσωτερικά, η αναλογική και η ψηφιακή γείωση πρέπει να συνδεθούν μέσω εξωτερικών ακίδων), οποιαδήποτε εξωτερική αντίσταση συνδεδεμένη στο DGND θα συνδέσει περισσότερο ψηφιακό θόρυβο στο αναλογικό κύκλωμα μέσα στο IC μέσω παρασιτικών χωρητικότητα. Ακολουθώντας αυτήν τη σύσταση, και οι δύο ακίδες μετατροπέα A/D AGND και DGND πρέπει να συνδεθούν στην αναλογική γείωση, αλλά αυτή η προσέγγιση εγείρει ερωτήματα όπως εάν το άκρο γείωσης του πυκνωτή αποσύνδεσης ψηφιακού σήματος πρέπει να συνδεθεί στην αναλογική ή ψηφιακή γείωση.

Εάν το σύστημα διαθέτει μόνο έναν μετατροπέα A/D, το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να λυθεί εύκολα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, η γείωση χωρίζεται και τα τμήματα αναλογικής και ψηφιακής γείωσης συνδέονται μεταξύ τους κάτω από τον μετατροπέα A/D. Όταν υιοθετείται αυτή η μέθοδος, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι το πλάτος της γέφυρας μεταξύ των δύο θέσεων είναι ίσο με το πλάτος IC και ότι καμία γραμμή σήματος δεν μπορεί να διασχίσει το διάκενο διαμερίσματος.

Εάν το σύστημα έχει πολλούς μετατροπείς A/D, για παράδειγμα, 10 μετατροπείς A/D πώς να συνδεθείτε; Εάν η αναλογική και η ψηφιακή γείωση συνδέονται κάτω από κάθε μετατροπέα A/D, θα προκύψει σύνδεση πολλαπλών σημείων και η απομόνωση μεταξύ αναλογικής και ψηφιακής γείωσης θα είναι άνευ σημασίας. Εάν δεν το κάνετε, παραβιάζετε τις απαιτήσεις του κατασκευαστή.

Ο καλύτερος τρόπος είναι να ξεκινήσετε με μια στολή. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4, το έδαφος χωρίζεται ομοιόμορφα σε αναλογικά και ψηφιακά μέρη. Αυτή η διάταξη όχι μόνο πληροί τις απαιτήσεις των κατασκευαστών συσκευών IC για σύνδεση χαμηλής σύνθετης αντίστασης αναλογικών και ψηφιακών ακροδεκτών γείωσης, αλλά επίσης αποφεύγει προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας που προκαλούνται από κεραία βρόχου ή διπολική κεραία.

Εάν έχετε αμφιβολίες σχετικά με την ενοποιημένη προσέγγιση του σχεδιασμού PCB μικτού σήματος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη μέθοδο διαχωρισμού στρώματος εδάφους για να τοποθετήσετε και να δρομολογήσετε ολόκληρη την πλακέτα κυκλώματος. Κατά τη σχεδίαση, θα πρέπει να δοθεί προσοχή ώστε η πλακέτα κυκλώματος να συνδεθεί εύκολα με βραχυκυκλωτήρες ή αντιστάσεις 0 ohm σε απόσταση μικρότερη από 1/2 ίντσα μεταξύ τους στο επόμενο πείραμα. Δώστε προσοχή στη ζώνη και την καλωδίωση για να διασφαλίσετε ότι δεν υπάρχουν γραμμές ψηφιακού σήματος πάνω από το αναλογικό τμήμα σε όλα τα επίπεδα και ότι δεν υπάρχουν γραμμές αναλογικού σήματος πάνω από το ψηφιακό τμήμα. Επιπλέον, καμία γραμμή σήματος δεν πρέπει να διασχίζει το κενό του εδάφους ή να διαιρεί το κενό μεταξύ των πηγών ισχύος. Για να ελέγξετε τη λειτουργία της πλακέτας και την απόδοση EMC, δοκιμάστε ξανά τη λειτουργία της πλακέτας και την απόδοση της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας συνδέοντας τους δύο ορόφους μεταξύ τους μέσω μιας αντίστασης ή βραχυκυκλωτήρα 0 ωμ. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των δοκιμών, διαπιστώθηκε ότι σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις, η ενοποιημένη λύση ήταν ανώτερη από πλευράς λειτουργικότητας και απόδοσης EMC σε σύγκριση με τη λύση διαχωρισμού.

Η μέθοδος διαίρεσης της γης εξακολουθεί να λειτουργεί;

Αυτή η προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τρεις περιπτώσεις: ορισμένες ιατρικές συσκευές απαιτούν πολύ χαμηλό ρεύμα διαρροής μεταξύ κυκλωμάτων και συστημάτων που συνδέονται με τον ασθενή. Η έξοδος ορισμένων βιομηχανικών εξοπλισμών ελέγχου διεργασιών μπορεί να συνδέεται με θορυβώδη ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό υψηλής ισχύος. Μια άλλη περίπτωση είναι όταν η ΔΙΑΤΑΞΗ της PCB υπόκειται σε συγκεκριμένους περιορισμούς.

Υπάρχουν συνήθως ξεχωριστά ψηφιακά και αναλογικά τροφοδοτικά σε μια πλακέτα PCB μικτού σήματος που μπορεί και πρέπει να έχει χωριστή επιφάνεια τροφοδοσίας. Ωστόσο, οι γραμμές σήματος δίπλα στο στρώμα τροφοδοσίας δεν μπορούν να διασχίσουν το κενό μεταξύ των τροφοδοτικών και όλες οι γραμμές σήματος που διασχίζουν το κενό πρέπει να βρίσκονται στο στρώμα κυκλώματος δίπλα στη μεγάλη περιοχή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το αναλογικό τροφοδοτικό μπορεί να σχεδιαστεί με συνδέσεις PCB και όχι με μία όψη για να αποφευχθεί η διάσπαση της όψης ισχύος.

Σχεδιασμός διαχωρισμού PCB μικτού σήματος

Ο σχεδιασμός PCB μικτού σήματος είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, η διαδικασία σχεδιασμού πρέπει να δώσει προσοχή στα ακόλουθα σημεία:

1. Διαχωρίστε το PCB σε ξεχωριστά αναλογικά και ψηφιακά μέρη.

2. Σωστή διάταξη εξαρτημάτων.

3. Ο μετατροπέας A/D τοποθετείται σε κατατμήσεις.

4. Μην διαιρείτε το έδαφος. Το αναλογικό μέρος και το ψηφιακό μέρος της πλακέτας κυκλώματος τοποθετούνται ομοιόμορφα.

5. Σε όλα τα επίπεδα της πλακέτας, το ψηφιακό σήμα μπορεί να δρομολογηθεί μόνο στο ψηφιακό τμήμα της πλακέτας.

6. Σε όλα τα επίπεδα της πλακέτας, τα αναλογικά σήματα μπορούν να δρομολογηθούν μόνο στο αναλογικό τμήμα της πλακέτας.

7. Αναλογικός και ψηφιακός διαχωρισμός ισχύος.

8. Η καλωδίωση δεν πρέπει να εκτείνεται στο κενό μεταξύ των διαχωρισμένων επιφανειών παροχής ρεύματος.

9. Οι γραμμές σήματος που πρέπει να εκτείνονται στο διάκενο μεταξύ των χωριστών τροφοδοτικών πρέπει να βρίσκονται στο στρώμα καλωδίωσης δίπλα σε μια μεγάλη περιοχή.

10. Αναλύστε την πραγματική διαδρομή και τον τρόπο ροής του ρεύματος γης.

11. Χρησιμοποιήστε σωστούς κανόνες καλωδίωσης.