Kuidas saavutada segasignaaliga PCB partitsioonikujundus?

Abstraktne: Segasignaali ahela disain PCB on väga keeruline. Komponentide paigutus ja juhtmestik ning toiteallika ja maandusjuhtme töötlemine mõjutavad otseselt ahela jõudlust ja elektromagnetilise ühilduvuse jõudlust. Selles artiklis tutvustatud maanduse ja toite vaheseinte kujundus võib optimeerida segasignaaliga ahelate jõudlust.

ipcb

Kuidas vähendada vastastikust häiret digitaal- ja analoogsignaali vahel? Enne projekteerimist peame mõistma kahte elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) põhiprintsiipi: esimene põhimõte on vooluahela pindala minimeerimine; teine ​​põhimõte on see, et süsteem kasutab ainult ühte võrdluspinda. Vastupidi, kui süsteemil on kaks võrdlustasapinda, on võimalik moodustada dipoolantenn (Märkus: väikese dipoolantenni kiirguse suurus on võrdeline liini pikkuse, voolava voolu hulga ja sagedusega); ja kui signaal ei saa läbida nii palju kui võimalik Väikese ahela tagasipöördumine võib moodustada suure silmusantenni (Märkus: väikese ahela antenni kiirguse suurus on võrdeline ahela pindalaga, ahelat läbiva voolu ja ruuduga sagedusest). Vältige disainis neid kahte olukorda nii palju kui võimalik.

Segasignaaliga trükkplaadil on soovitatav eraldada digitaalmaandus ja analoogmaandus, et oleks võimalik saavutada isolatsioon digitaalse ja analoogmaanduse vahel. Kuigi see meetod on teostatav, on palju võimalikke probleeme, eriti keerukates suuremahulistes süsteemides. Kõige kriitilisem probleem on see, et seda ei saa suunata üle jaotuse vahe. Kui jaotuspilu on suunatud, suureneb elektromagnetkiirgus ja signaali läbirääkimine järsult. Kõige tavalisem probleem PCB projekteerimisel on see, et signaaliliin ületab jagatud maanduse või toiteallika ja tekitab EMI probleeme.

Kuidas saavutada segasignaaliga PCB partitsioonikujundus

Nagu on näidatud joonisel 1, kasutame ülalmainitud jagamismeetodit ja signaalijoon ületab kahe maa vahelise pilu. Mis on signaalivoolu tagasitee? Eeldades, et kaks jagatud maandust on kuskil omavahel ühendatud (tavaliselt ühes punktis ühendus teatud kohas), moodustab maandusvool sel juhul suure ahela. Läbi suure ahela voolav kõrgsagedusvool tekitab kiirgust ja kõrge maandusinduktiivsuse. Kui madala taseme analoogvool voolab läbi suure ahela, on välised signaalid voolu kergesti häiritud. Kõige hullem on see, et jaotatud maanduste ühendamisel toiteallikas tekib väga suur vooluahel. Lisaks on analoog- ja digitaalmaandus ühendatud pika juhtmega, moodustades dipoolantenni.

Voolu maapinnale tagasivoolu tee ja meetodi mõistmine on segasignaaliga trükkplaadi disaini optimeerimise võti. Paljud projekteerimisinsenerid võtavad arvesse ainult seda, kuhu signaali vool voolab, ja ignoreerivad voolu konkreetset rada. Kui maanduskiht tuleb jagada ja juhtmestik tuleb juhtida läbi vaheseinte vahelise pilu, saab jagatud maanduste vahel teha ühepunktilise ühenduse, et moodustada ühendussild kahe maanduse vahel, ja seejärel ühendada juhtmestik läbi ühendussilla. . Nii saab iga signaaliliini alla tagada alalisvoolu tagasivoolutee, nii et moodustatud ahela pindala on väike.

Optiliste isolatsiooniseadmete või trafode kasutamine võib samuti saavutada signaali üle segmenteerimisvahe. Esimese puhul ületab segmentatsioonivahe optiline signaal; trafo puhul on magnetväli, mis läbib segmentatsioonipilu. Teine teostatav meetod on diferentsiaalsignaalide kasutamine: signaal voolab ühest liinist sisse ja naaseb teisest signaaliliinist. Sel juhul pole maapinda tagasiteeks vaja.

Digitaalsete signaalide ja analoogsignaalide häirete sügavaks uurimiseks peame kõigepealt mõistma kõrgsagedusvoolude omadusi. Kõrgsageduslike voolude jaoks valige alati tee, mille takistus (madalaim induktiivsus) ja mis on otse signaali all, nii et tagasivool voolab läbi külgneva vooluahela kihi, olenemata sellest, kas külgnev kiht on toitekiht või maanduskiht. .

Tegelikus töös kiputakse üldiselt kasutama ühtset maandust ja jagama PCB analoog- ja digitaalosaks. Analoogsignaal suunatakse trükkplaadi kõigi kihtide analoogalasse ja digitaalsignaal suunatakse digitaalskeemi piirkonda. Sel juhul ei voola digitaalsignaali tagasivooluvool analoogsignaali maandusse.

Ainult siis, kui digitaalne signaal on ühendatud trükkplaadi analoogosaga või analoogsignaal trükkplaadi digitaalosaga, ilmnevad digitaalsignaali häired analoogsignaali suhtes. Sellist probleemi ei teki, kuna puudub jagatud maandus, tegelik põhjus on digitaalsignaali ebaõige juhtmestik.

PCB disain kasutab ühtset maandust digitaalse vooluahela ja analoogahela partitsiooni ning sobiva signaalijuhtmestiku kaudu, tavaliselt võib see lahendada mõned keerulisemad paigutus- ja juhtmestikuprobleemid ning samal ajal ei põhjusta see maanduse jagamisest põhjustatud võimalikke probleeme. Sel juhul saab disaini plusside ja miinuste kindlaksmääramisel võtmeks komponentide paigutus ja jaotus. Kui paigutus on mõistlik, piirdub digitaalne maandusvool trükkplaadi digitaalse osaga ega sega analoogsignaali. Selliseid juhtmeid tuleb hoolikalt kontrollida ja kontrollida, et tagada juhtmestiku reeglite 100% järgimine. Vastasel juhul hävitab signaaliliini vale suunamine muidu väga hea trükkplaadi täielikult.

A/D-muunduri analoogmaanduse ja digitaalse maanduse kontaktide ühendamisel soovitab enamik A/D-muundurite tootjaid: Ühendage AGND ja DGND kontaktid lühima juhtme kaudu sama madala takistusega maandusega. (Märkus. Kuna enamik A/D-muunduri kiipe ei ühenda analoog- ja digitaalmaandust omavahel, tuleb analoog- ja digitaalmaandus ühendada väliste tihvtide kaudu.) Iga DGND-ga ühendatud välistakistus läbib parasiitmahtuvust. Rohkem digitaalset müra on ühendatud IC sees olevate analoogahelatega. Selle soovituse kohaselt peate ühendama A/D-muunduri AGND ja DGND kontaktid analoogmaandusega, kuid see meetod tekitab probleeme, näiteks kas digitaalse signaali lahtisidumise kondensaatori maandusklemm tuleks ühendada analoogmaandusega. või digimaa.

Kuidas saavutada segasignaaliga PCB partitsioonikujundus

Kui süsteemis on ainult üks A/D muundur, saab ülaltoodud probleeme lihtsalt lahendada. Nagu on näidatud joonisel 3, jagage maandus ja ühendage analoog- ja digitaalmaandus A/D-muunduri all kokku. Selle meetodi kasutuselevõtul on vaja tagada, et kahe maanduse vahelise ühendussilla laius oleks sama kui IC-i laius ja ükski signaaliliin ei saaks ületada jaotusvahet.

Kui süsteemis on näiteks palju A/D muundureid, siis kuidas ühendada 10 A/D muundurit? Kui analoogmaandus ja digitaalmaandus on ühendatud iga A/D-muunduri all, tekib mitmepunktiline ühendus ning analoogmaanduse ja digitaalmaanduse vaheline isolatsioon on mõttetu. Kui te sel viisil ühendust ei loo, rikub see tootja nõudeid.