Resumen: El diseño de un circuito de señal mixta. PCB es muy complicado. El diseño y cableado de los componentes y el procesamiento de la fuente de alimentación y el cable de tierra afectarán directamente el rendimiento del circuito y el rendimiento de compatibilidad electromagnética. El diseño de partición de tierra y potencia presentado en este artículo puede optimizar el rendimiento de los circuitos de señal mixta.

¿Cómo reducir la interferencia mutua entre la señal digital y la señal analógica? Antes de diseñar, debemos comprender los dos principios básicos de la compatibilidad electromagnética (EMC): El primer principio es minimizar el área del bucle de corriente; el segundo principio es que el sistema usa solo una superficie de referencia. Por el contrario, si el sistema tiene dos planos de referencia, es posible formar una antena dipolo (Nota: el tamaño de radiación de una antena dipolo pequeña es proporcional a la longitud de la línea, la cantidad de corriente que fluye y la frecuencia); y si la señal no puede pasar tanto como sea posible El retorno de un bucle pequeño puede formar una antena de bucle grande (Nota: el tamaño de radiación de una antena de bucle pequeña es proporcional al área del bucle, la corriente que fluye a través del bucle y el cuadrado de la frecuencia). Evite estas dos situaciones tanto como sea posible en el diseño.

Se sugiere separar la tierra digital y la tierra analógica en la placa de circuito de señal mixta, de modo que se pueda lograr el aislamiento entre la tierra digital y la tierra analógica. Aunque este método es factible, existen muchos problemas potenciales, especialmente en sistemas complejos a gran escala. El problema más crítico es que no se puede encaminar a través de la brecha de división. Una vez que se enruta la brecha de división, la radiación electromagnética y la diafonía de la señal aumentarán drásticamente. El problema más común en el diseño de PCB es que la línea de señal cruza la tierra dividida o la fuente de alimentación y genera problemas de EMI.

Cómo lograr el diseño de partición de PCB de señal mixta

Como se muestra en la Figura 1, usamos el método de división mencionado anteriormente, y la línea de señal cruza el espacio entre las dos tierras. ¿Cuál es la ruta de retorno de la corriente de señal? Suponiendo que las dos tierras que están divididas están conectadas juntas en algún lugar (generalmente una conexión de un solo punto en una ubicación determinada), en este caso, la corriente de tierra formará un bucle grande. La corriente de alta frecuencia que fluye a través del bucle grande genera radiación e inductancia de tierra alta. Si la corriente analógica de bajo nivel fluye a través del bucle grande, las señales externas interfieren fácilmente en la corriente. Lo peor es que cuando las tierras divididas se conectan juntas a la fuente de alimentación, se formará un bucle de corriente muy grande. Además, la tierra analógica y la tierra digital están conectadas por un cable largo para formar una antena dipolo.

Comprender la ruta y el método de retorno de la corriente a tierra es la clave para optimizar el diseño de la placa de circuito de señal mixta. Muchos ingenieros de diseño solo consideran dónde fluye la corriente de señal e ignoran la ruta específica de la corriente. Si la capa de tierra debe dividirse y el cableado debe pasar a través del espacio entre las divisiones, se puede hacer una conexión de un solo punto entre las tierras divididas para formar un puente de conexión entre las dos tierras, y luego el cableado a través del puente de conexión. . De esta manera, se puede proporcionar una ruta de retorno de corriente continua debajo de cada línea de señal, de modo que el área de bucle formada sea pequeña.

El uso de transformadores o dispositivos de aislamiento óptico también puede lograr la señal a través de la brecha de segmentación. Para el primero, es la señal óptica la que atraviesa la brecha de segmentación; en el caso de un transformador, es el campo magnético el que atraviesa la brecha de segmentación. Otro método factible es usar señales diferenciales: la señal fluye desde una línea y regresa desde otra línea de señal. En este caso, el suelo no es necesario como camino de retorno.

Para explorar en profundidad la interferencia de señales digitales a señales analógicas, primero debemos comprender las características de las corrientes de alta frecuencia. Para corrientes de alta frecuencia, elija siempre la ruta con la menor impedancia (inductancia más baja) y directamente debajo de la señal, de modo que la corriente de retorno fluya a través de la capa del circuito adyacente, independientemente de si la capa adyacente es la capa de potencia o la capa de tierra. .

En el trabajo real, generalmente se inclina a utilizar un suelo unificado y dividir la PCB en una parte analógica y una parte digital. La señal analógica se enruta en el área analógica de todas las capas de la placa de circuito y la señal digital se enruta en el área del circuito digital. En este caso, la corriente de retorno de la señal digital no fluirá hacia la tierra de la señal analógica.

Solo cuando la señal digital está cableada en la parte analógica de la placa de circuito o la señal analógica está cableada en la parte digital de la placa de circuito, aparecerá la interferencia de la señal digital a la señal analógica. Este tipo de problema no ocurre porque no hay tierra dividida, la verdadera razón es el cableado incorrecto de la señal digital.

El diseño de PCB adopta una tierra unificada, a través de un circuito digital y una partición de circuito analógico y un cableado de señal apropiado, por lo general puede resolver algunos problemas más difíciles de diseño y cableado y, al mismo tiempo, no causará algunos problemas potenciales causados ​​por la división de tierra. En este caso, el diseño y la división de los componentes se convierte en la clave para determinar los pros y los contras del diseño. Si el diseño es razonable, la corriente de tierra digital se limitará a la parte digital de la placa de circuito y no interferirá con la señal analógica. Dicho cableado debe inspeccionarse y verificarse cuidadosamente para garantizar que se cumplan al 100% las reglas de cableado. De lo contrario, el enrutamiento incorrecto de una línea de señal destruirá por completo una placa de circuito que de otro modo sería muy buena.

Al conectar los pines de tierra analógica y de tierra digital del convertidor A / D juntos, la mayoría de los fabricantes de convertidores A / D sugerirían: Conecte los pines AGND y DGND a la misma tierra de baja impedancia a través del cable más corto. (Nota: Debido a que la mayoría de los chips convertidores A / D no conectan la tierra analógica y la tierra digital juntas, la tierra analógica y digital deben conectarse a través de pines externos). Cualquier impedancia externa conectada a DGND pasará capacitancia parásita. Se acopla más ruido digital a los circuitos analógicos dentro del IC. De acuerdo con esta recomendación, debe conectar los pines AGND y DGND del convertidor A / D a la tierra analógica, pero este método causará problemas tales como si el terminal de tierra del condensador de desacoplamiento de la señal digital debe estar conectado a la tierra analógica. o el suelo digital.

Cómo lograr el diseño de partición de PCB de señal mixta

Si el sistema tiene solo un convertidor A / D, los problemas anteriores se pueden resolver fácilmente. Como se muestra en la Figura 3, divida la tierra y conecte la tierra analógica y la tierra digital bajo el convertidor A / D. Al adoptar este método, es necesario asegurarse de que el ancho del puente de conexión entre los dos terrenos sea el mismo que el ancho del IC y que ninguna línea de señal pueda cruzar el espacio de división.

Si hay muchos convertidores A / D en el sistema, por ejemplo, ¿cómo conectar 10 convertidores A / D? Si la tierra analógica y la tierra digital están conectadas juntas debajo de cada convertidor A / D, se genera una conexión multipunto y el aislamiento entre la tierra analógica y la tierra digital no tiene sentido. Si no se conecta de esta manera, viola los requisitos del fabricante.