چگونه می توان به طراحی پارتیشن PCB سیگنال مختلط دست یافت؟

چکیده: طراحی مدار سیگنال مختلط PCB بسیار پیچیده است چیدمان و سیم کشی اجزا و پردازش منبع تغذیه و سیم زمین مستقیماً بر عملکرد مدار و عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی تأثیر می گذارد. طراحی پارتیشن زمین و توان معرفی شده در این مقاله می تواند عملکرد مدارهای سیگنال مختلط را بهینه کند.

ipcb

چگونه تداخل متقابل سیگنال دیجیتال و سیگنال آنالوگ را کاهش دهیم؟ قبل از طراحی، باید دو اصل اساسی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) را درک کنیم: اولین اصل این است که مساحت حلقه جریان را به حداقل برسانیم. اصل دوم این است که سیستم فقط از یک سطح مرجع استفاده می کند. برعکس، اگر سیستم دارای دو صفحه مرجع باشد، امکان تشکیل یک آنتن دوقطبی وجود دارد (توجه: اندازه تابش یک آنتن دوقطبی کوچک متناسب با طول خط، مقدار جریان و فرکانس است). و اگر سیگنال تا حد ممکن نتواند عبور کند، بازگشت یک حلقه کوچک ممکن است یک آنتن حلقه بزرگ را تشکیل دهد (توجه: اندازه تابش یک آنتن حلقه کوچک با مساحت حلقه، جریان عبوری از حلقه و مربع متناسب است. فرکانس). در طراحی تا حد امکان از این دو حالت اجتناب کنید.

پیشنهاد می‌شود زمین دیجیتال و زمین آنالوگ را روی برد مدار سیگنال مختلط جدا کنید تا بتوان جداسازی بین زمین دیجیتال و زمین آنالوگ را بدست آورد. اگرچه این روش امکان پذیر است، اما مشکلات بالقوه زیادی به خصوص در سیستم های پیچیده در مقیاس بزرگ وجود دارد. بحرانی ترین مشکل این است که نمی توان آن را در شکاف تقسیم قرار داد. هنگامی که شکاف تقسیم مسیریابی شود، تابش الکترومغناطیسی و تداخل سیگنال به شدت افزایش می یابد. رایج ترین مشکل در طراحی PCB این است که خط سیگنال از زمین تقسیم شده یا منبع تغذیه عبور می کند و مشکلات EMI را ایجاد می کند.

نحوه دستیابی به طراحی پارتیشن PCB سیگنال مختلط

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ما از روش تقسیم فوق استفاده می کنیم و خط سیگنال از شکاف بین دو زمین عبور می کند. مسیر برگشت جریان سیگنال چیست؟ با فرض اینکه دو پایه تقسیم شده در جایی به هم متصل شده باشند (معمولاً یک اتصال نقطه ای در یک مکان خاص)، در این حالت، جریان زمین یک حلقه بزرگ را تشکیل می دهد. جریان فرکانس بالا که از حلقه بزرگ عبور می کند، تشعشع و اندوکتانس زمین بالا ایجاد می کند. اگر جریان آنالوگ سطح پایین از حلقه بزرگ عبور کند، جریان به راحتی توسط سیگنال های خارجی تداخل پیدا می کند. بدترین چیز این است که وقتی زمین های تقسیم شده در منبع تغذیه به یکدیگر متصل می شوند، یک حلقه جریان بسیار بزرگ تشکیل می شود. علاوه بر این، زمین آنالوگ و زمین دیجیتال توسط یک سیم بلند به یکدیگر متصل می شوند تا یک آنتن دوقطبی را تشکیل دهند.

درک مسیر و روش بازگشت جریان به زمین، کلید بهینه سازی طراحی برد مدار سیگنال مختلط است. بسیاری از مهندسین طراح فقط محل عبور جریان سیگنال را در نظر می گیرند و مسیر خاص جریان را نادیده می گیرند. اگر لایه زمین باید تقسیم شود و سیم کشی باید از شکاف بین تقسیمات عبور کند، می توان یک اتصال تک نقطه ای بین زمین های تقسیم شده ایجاد کرد تا یک پل اتصال بین دو زمین ایجاد شود و سپس از طریق پل اتصال سیم کشی شود. . به این ترتیب می توان مسیر برگشت جریان مستقیم را در زیر هر خط سیگنال فراهم کرد تا ناحیه حلقه تشکیل شده کوچک باشد.

استفاده از دستگاه های جداسازی نوری یا ترانسفورماتورها نیز می تواند سیگنال را در سراسر شکاف تقسیم بندی به دست آورد. برای اولی، این سیگنال نوری است که از شکاف تقسیم بندی عبور می کند. در مورد یک ترانسفورماتور، این میدان مغناطیسی است که از شکاف تقسیم بندی عبور می کند. یکی دیگر از روش های امکان پذیر استفاده از سیگنال های دیفرانسیل است: سیگنال از یک خط به داخل جریان می یابد و از خط سیگنال دیگر باز می گردد. در این حالت به زمین به عنوان مسیر برگشت نیازی نیست.

برای بررسی عمیق تداخل سیگنال های دیجیتال با سیگنال های آنالوگ، ابتدا باید ویژگی های جریان های فرکانس بالا را درک کنیم. برای جریان های فرکانس بالا، همیشه مسیری را با کمترین امپدانس (کمترین اندوکتانس) و مستقیماً زیر سیگنال انتخاب کنید، بنابراین جریان برگشتی از لایه مدار مجاور عبور می کند، صرف نظر از اینکه لایه مجاور لایه قدرت باشد یا لایه زمین. .

در کار واقعی، به طور کلی تمایل به استفاده از یک زمین یکپارچه، و تقسیم PCB به بخش آنالوگ و بخش دیجیتال است. سیگنال آنالوگ در ناحیه آنالوگ تمام لایه های برد مدار و سیگنال دیجیتال در ناحیه مدار دیجیتال هدایت می شود. در این حالت، جریان برگشتی سیگنال دیجیتال به زمین سیگنال آنالوگ جریان نخواهد یافت.

تنها زمانی که سیگنال دیجیتال روی قسمت آنالوگ برد مدار سیم کشی شود یا سیگنال آنالوگ روی قسمت دیجیتال برد مدار سیم کشی شود، تداخل سیگنال دیجیتال به سیگنال آنالوگ ظاهر می شود. این نوع مشکل به دلیل عدم وجود زمین تقسیم شده رخ نمی دهد، دلیل واقعی سیم کشی نامناسب سیگنال دیجیتال است.

طراحی PCB با استفاده از زمین یکپارچه، از طریق مدار دیجیتال و پارتیشن مدار آنالوگ و سیم کشی سیگنال مناسب، معمولاً می تواند برخی از مشکلات طرح و سیم کشی دشوارتر را حل کند و در عین حال باعث ایجاد مشکلات احتمالی ناشی از تقسیم زمین نمی شود. در این حالت، چیدمان و پارتیشن بندی اجزاء کلید تعیین مزایا و معایب طراحی می شود. اگر چیدمان معقول باشد، جریان زمین دیجیتال به قسمت دیجیتال برد مدار محدود می شود و با سیگنال آنالوگ تداخلی نخواهد داشت. چنین سیم کشی باید به دقت بررسی و تأیید شود تا اطمینان حاصل شود که قوانین سیم کشی 100٪ مطابقت دارد. در غیر این صورت، مسیریابی نامناسب یک خط سیگنال، یک برد مدار بسیار خوب را به طور کامل از بین می برد.

هنگام اتصال زمین آنالوگ و پایه های زمین دیجیتال مبدل A/D، اکثر سازندگان مبدل A/D پیشنهاد می کنند: پایه های AGND و DGND را از طریق کوتاه ترین سیم به همان زمین امپدانس پایین متصل کنید. (توجه: از آنجایی که اکثر تراشه های مبدل A/D زمین آنالوگ و زمین دیجیتال را به یکدیگر متصل نمی کنند، زمین آنالوگ و دیجیتال باید از طریق پین های خارجی متصل شوند.) هر امپدانس خارجی متصل به DGND، ظرفیت انگلی را عبور می دهد. نویز دیجیتال بیشتر به مدارهای آنالوگ داخل آی سی متصل می شود. طبق این توصیه، باید پایه های AGND و DGND مبدل A/D را به زمین آنالوگ وصل کنید، اما این روش باعث ایجاد مشکلاتی مانند اتصال زمین خازن جداکننده سیگنال دیجیتال به زمین آنالوگ می شود. یا زمین دیجیتال

نحوه دستیابی به طراحی پارتیشن PCB سیگنال مختلط

اگر سیستم فقط یک مبدل A/D داشته باشد، مشکلات فوق به راحتی قابل حل است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، زمین را تقسیم کنید و زمین آنالوگ و زمین دیجیتال را زیر مبدل A/D به هم وصل کنید. هنگام اتخاذ این روش، لازم است اطمینان حاصل شود که عرض پل اتصال بین دو زمین با عرض IC برابر است و هیچ خط سیگنالی نمی تواند از شکاف تقسیم عبور کند.

اگر مبدل های A/D زیادی در سیستم وجود دارد، مثلاً چگونه 10 مبدل A/D را وصل کنیم؟ اگر زمین آنالوگ و زمین دیجیتال زیر هر مبدل A/D به یکدیگر متصل شوند، اتصال چند نقطه ای ایجاد می شود و ایزوله بین زمین آنالوگ و زمین دیجیتال بی معنی است. اگر به این روش وصل نشوید، الزامات سازنده را نقض می کند.