PCB El diseño del circuito de señal mixta 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 fuente de alimentación presentado en este documento puede optimizar el rendimiento de los circuitos de señal mixta.

¿Cómo reducir la interferencia entre señales digitales y analógicas? Se deben comprender dos principios básicos de compatibilidad electromagnética (CEM) antes del diseño: el primer principio es minimizar el área del bucle de corriente; El segundo principio es que el sistema usa solo un plano de referencia. Por el contrario, si el sistema tiene dos planos de referencia, es posible formar una antena dipolo (nota: la radiación de una antena dipolo pequeña es proporcional a la longitud de la línea, la cantidad de corriente que fluye y la frecuencia). Si la señal no regresa a través del bucle más pequeño posible, se puede formar una gran antena circular. Evite ambos en su diseño tanto como sea posible.

Se ha sugerido separar la tierra digital y la tierra analógica en la placa de circuito de señal mixta para lograr el aislamiento entre la tierra digital y la tierra analógica. Aunque este enfoque es factible, tiene muchos problemas potenciales, especialmente en sistemas grandes y complejos. El problema más crítico es no cruzar el cableado del espacio de división, una vez que se cruza el cableado del espacio de división, la radiación electromagnética y la diafonía de la señal aumentarán drásticamente. El problema más común en el diseño de PCB es el problema de EMI causado por la línea de señal que cruza el suelo o la fuente de alimentación.

Como se muestra en la Figura 1, usamos el método de segmentación anterior, y la línea de señal se extiende por el espacio entre las dos tierras, ¿cuál es la ruta de retorno de la corriente de señal? Suponga que las dos tierras divididas están conectadas en algún punto (generalmente un solo punto en un punto), en cuyo caso la corriente de tierra formará un gran bucle. La corriente de alta frecuencia que fluye a través del bucle grande generará radiación e inductancia de tierra alta. Si la corriente analógica de bajo nivel que fluye a través del bucle grande es fácil de interferir con señales externas. Lo peor es que cuando las secciones se conectan entre sí en la fuente de alimentación, se forma un bucle de corriente muy grande. Además, la tierra analógica y digital conectada por un cable largo forma una antena dipolo.

Comprender la ruta y el modo del reflujo de 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, ignorando la ruta específica de la corriente. Si la capa de tierra debe dividirse y debe enrutarse a través del espacio entre las particiones, se puede hacer una conexión de un solo punto entre la tierra dividida para formar un puente de conexión entre las dos capas de tierra y luego pasar a través del puente de conexión. De esta manera, se puede proporcionar una ruta de reflujo de corriente continua debajo de cada línea de señal, lo que da como resultado un área de bucle pequeña.

También se pueden utilizar dispositivos de aislamiento óptico o transformadores para realizar la señal que cruza 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 el espacio de partición. Las señales diferenciales también son posibles: las señales fluyen desde una línea y regresan desde la otra, en cuyo caso se utilizan innecesariamente como trayectorias de reflujo.

Para explorar la interferencia de la señal digital a la señal analógica, primero debemos comprender las características de la corriente de alta frecuencia. La corriente de alta frecuencia siempre elige la ruta con la impedancia más baja (inductancia) directamente debajo de la señal, por lo que la corriente de retorno fluirá a través de la capa del circuito adyacente, independientemente de si la capa adyacente es la capa de suministro de energía o la capa de tierra.

En la práctica, generalmente se prefiere utilizar una partición de PCB uniforme en partes analógicas y digitales. Las señales analógicas se enrutan en la región analógica de todas las capas de la placa, mientras que las señales digitales se enrutan en la región del circuito digital. En este caso, la corriente de retorno de la señal digital no fluye al suelo de la señal analógica.

La interferencia de señales digitales a señales analógicas ocurre solo cuando las señales digitales se enrutan o las señales analógicas se enrutan a través de las partes digitales de la placa de circuito. Este problema no se debe a la falta de segmentación, la verdadera razón es el cableado inadecuado de las señales digitales.

El diseño de PCB utiliza un sistema unificado, a través del circuito digital y la partición del circuito analógico y el cableado de señal apropiado, por lo general puede resolver algunos de los problemas de cableado y disposición más difíciles, pero tampoco tiene algunos problemas potenciales causados ​​por la segmentación de tierra. En este caso, el diseño y la división de los componentes se vuelve fundamental para determinar la calidad del diseño. Si se distribuye correctamente, la corriente de tierra digital se limitará a la parte digital de la placa y no interferirá con la señal analógica. Dicho cableado debe revisarse y verificarse cuidadosamente para garantizar el 100% de cumplimiento con las reglas de cableado. De lo contrario, una línea de señal incorrecta destruirá por completo una placa de circuito muy buena.

Al conectar los pines de tierra analógicos y digitales de los convertidores A / D juntos, la mayoría de los fabricantes de convertidores A / D recomiendan conectar los pines AGND y DGND a la misma tierra de baja impedancia utilizando los cables más cortos (Nota: Debido a que la mayoría de los chips convertidores A / D no se conectan a tierra analógica y digital juntos internamente, la tierra analógica y digital debe conectarse a través de pines externos), cualquier impedancia externa conectada a DGND acoplará más ruido digital al circuito analógico dentro del IC a través de parásitos capacidad. Siguiendo esta recomendación, los pines AGND y DGND del convertidor A / D deben estar conectados a la tierra analógica, pero este enfoque plantea preguntas como si el extremo de tierra del condensador de desacoplamiento de la señal digital debe conectarse a la tierra analógica o digital.

Si el sistema tiene solo un convertidor A / D, el problema anterior se puede resolver fácilmente. Como se muestra en la Figura 3, la tierra está dividida y las secciones de tierra analógica y digital están conectadas juntas bajo el convertidor A / D. Cuando se adopta este método, es necesario asegurarse de que el ancho del puente entre los dos sitios sea igual al ancho del IC y que ninguna línea de señal pueda cruzar el espacio de la partición.

Si el sistema tiene muchos convertidores A / D, por ejemplo, 10 convertidores A / D, ¿cómo se conecta? Si se conectan a tierra analógica y digital debajo de cada convertidor A / D, se producirá una conexión multipunto y el aislamiento entre tierra analógica y digital no tendrá sentido. Si no lo hace, infringe los requisitos del fabricante.

La mejor forma es comenzar con un uniforme. Como se muestra en la Figura 4, el suelo se divide uniformemente en partes analógicas y digitales. Este diseño no solo cumple con los requisitos de los fabricantes de dispositivos IC para la conexión de baja impedancia de pines de tierra analógicos y digitales, sino que también evita los problemas de compatibilidad electromagnética causados ​​por la antena de cuadro o la antena dipolo.

Si tiene dudas sobre el enfoque unificado del diseño de PCB de señal mixta, puede utilizar el método de partición de la capa de tierra para diseñar y enrutar toda la placa de circuito. En el diseño, se debe prestar atención para hacer que la placa de circuito sea fácil de conectar con puentes o resistencias de 0 ohmios espaciados a menos de 1/2 pulgada de distancia en el experimento posterior. Preste atención a la zonificación y el cableado para asegurarse de que ninguna línea de señal digital esté por encima de la sección analógica en todas las capas y que ninguna línea de señal analógica esté por encima de la sección digital. Además, ninguna línea de señal debe cruzar la brecha de tierra o dividir la brecha entre las fuentes de energía. Para probar la función de la placa y el rendimiento de EMC, vuelva a probar la función de la placa y el rendimiento de EMC conectando los dos pisos a través de una resistencia o puente de 0 ohmios. Al comparar los resultados de las pruebas, se encontró que en casi todos los casos, la solución unificada era superior en términos de funcionalidad y rendimiento de EMC en comparación con la solución dividida.

¿Sigue funcionando el método de dividir la tierra?

Este enfoque se puede utilizar en tres situaciones: algunos dispositivos médicos requieren una corriente de fuga muy baja entre los circuitos y los sistemas conectados al paciente; La salida de algunos equipos de control de procesos industriales puede conectarse a equipos electromecánicos ruidosos y de alta potencia; Otro caso es cuando el DISEÑO de la PCB está sujeto a restricciones específicas.

Por lo general, hay fuentes de alimentación analógicas y digitales separadas en una placa PCB de señal mixta que puede y debe tener una fuente de alimentación dividida. Sin embargo, las líneas de señal adyacentes a la capa de la fuente de alimentación no pueden cruzar el espacio entre las fuentes de alimentación, y todas las líneas de señal que cruzan el espacio deben ubicarse en la capa del circuito adyacente al área grande. En algunos casos, la fuente de alimentación analógica se puede diseñar con conexiones de PCB en lugar de una cara para evitar la división de la cara de alimentación.

Diseño de partición de PCB de señal mixta

El diseño de PCB de señal mixta es un proceso complejo, el proceso de diseño debe prestar atención a los siguientes puntos:

1. Divida la PCB en partes analógicas y digitales separadas.

2. Disposición adecuada de los componentes.

3. El convertidor A / D se coloca en las particiones.

4. No divida el suelo. La parte analógica y la parte digital de la placa de circuito se colocan de manera uniforme.

5. En todas las capas de la placa, la señal digital solo puede enrutarse en la parte digital de la placa.

6. En todas las capas de la placa, las señales analógicas solo pueden enrutarse en la parte analógica de la placa.

7. Separación de potencia analógica y digital.

8. El cableado no debe cubrir el espacio entre las superficies de la fuente de alimentación dividida.

9. Las líneas de señal que deben cubrir el espacio entre las fuentes de alimentación divididas deben ubicarse en la capa de cableado adyacente a un área grande.

10. Analice la ruta real y el modo del flujo de corriente de tierra.

11. Utilice las reglas de cableado correctas.