PCB طراحی مدار سیگنال مختلط 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 منبع تغذیه معرفی شده در این مقاله می تواند عملکرد مدارهای سیگنال مختلط را بهینه کند.

چگونه تداخل سیگنال های دیجیتال و آنالوگ را کاهش دهیم؟ دو اصل اساسی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) باید قبل از طراحی درک شود: اصل اول به حداقل رساندن مساحت حلقه جریان است. اصل دوم این است که سیستم فقط از یک صفحه مرجع استفاده می کند. برعکس، اگر سیستم دارای دو صفحه مرجع باشد، امکان تشکیل یک آنتن دوقطبی وجود دارد (توجه داشته باشید: تابش یک آنتن دوقطبی کوچک با طول خط، مقدار جریان جاری و فرکانس متناسب است). اگر سیگنال از طریق کوچکترین حلقه ممکن برنگردد، ممکن است یک آنتن دایره ای بزرگ تشکیل شود. تا حد امکان از هر دو در طراحی خود اجتناب کنید.

پیشنهاد شده است که زمین دیجیتال و زمین آنالوگ را روی برد مدار سیگنال مختلط جدا کنید تا بین زمین دیجیتال و زمین آنالوگ ایزوله شود. اگرچه این رویکرد امکان پذیر است، اما مشکلات بالقوه زیادی به خصوص در سیستم های بزرگ و پیچیده دارد. بحرانی ترین مشکل این است که از سیم کشی شکاف پارتیشن عبور نکنید، پس از عبور از سیم کشی شکاف پارتیشن، تابش الکترومغناطیسی و تداخل سیگنال به طور چشمگیری افزایش می یابد. رایج ترین مشکل در طراحی PCB مشکل EMI است که به دلیل عبور خط سیگنال از زمین یا منبع تغذیه ایجاد می شود.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، از روش تقسیم بندی بالا استفاده می کنیم و خط سیگنال فاصله بین دو زمین را می گذراند، مسیر برگشت جریان سیگنال چیست؟ فرض کنید دو زمین تقسیم شده در نقطه ای (معمولاً یک نقطه در یک نقطه) به هم متصل شده اند، در این صورت 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 پایینی که از حلقه بزرگ عبور می کند به راحتی توسط سیگنال های خارجی تداخل پیدا می کند. بدترین چیز این است که وقتی بخش ها در منبع تغذیه به یکدیگر متصل می شوند، یک حلقه جریان بسیار بزرگ تشکیل می شود. علاوه بر این، زمین آنالوگ و دیجیتال که توسط یک سیم بلند متصل شده اند، یک آنتن دوقطبی را تشکیل می دهند.

درک مسیر و حالت جریان برگشتی به زمین، کلید بهینه سازی طراحی برد مدار سیگنال مختلط است. بسیاری از مهندسین طراح فقط در نظر می گیرند که جریان سیگنال کجا جریان می یابد و مسیر خاص جریان را نادیده می گیرند. اگر لایه زمین باید پارتیشن بندی شود و باید از شکاف بین پارتیشن ها عبور داده شود، می توان یک اتصال نقطه ای بین زمین پارتیشن بندی شده ایجاد کرد تا یک پل اتصال بین دو لایه زمین ایجاد شود و سپس از طریق پل اتصال عبور کند. به این ترتیب، یک مسیر جریان برگشتی جریان مستقیم را می توان در زیر هر خط سیگنال ارائه کرد که در نتیجه یک منطقه حلقه کوچک ایجاد می شود.

از دستگاه های جداسازی نوری یا ترانسفورماتورها نیز می توان برای تشخیص سیگنال عبور از شکاف تقسیم بندی استفاده کرد. برای اولی، این سیگنال نوری است که شکاف تقسیم بندی را در بر می گیرد. در مورد یک ترانسفورماتور، این میدان مغناطیسی است که شکاف پارتیشن را در بر می گیرد. سیگنال‌های دیفرانسیل نیز امکان‌پذیر است: سیگنال‌ها از یک خط وارد می‌شوند و از خط دیگر باز می‌گردند، در این صورت از آنها به‌عنوان مسیرهای جریان برگشتی غیرضروری استفاده می‌شود.

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

در عمل، استفاده از پارتیشن PCB یکنواخت در قطعات آنالوگ و دیجیتال ترجیح داده می شود. سیگنال های آنالوگ در ناحیه آنالوگ تمام لایه های برد هدایت می شوند، در حالی که سیگنال های دیجیتال در ناحیه مدار دیجیتال هدایت می شوند. در این حالت، جریان برگشتی سیگنال دیجیتال به زمین سیگنال آنالوگ جریان نمی یابد.

تداخل سیگنال‌های دیجیتال به سیگنال‌های آنالوگ تنها زمانی اتفاق می‌افتد که سیگنال‌های دیجیتال روی آن هدایت شوند یا سیگنال‌های آنالوگ روی قسمت‌های دیجیتال برد مدار هدایت شوند. این مشکل به دلیل عدم تقسیم بندی نیست، دلیل واقعی سیم کشی نامناسب سیگنال های دیجیتال است.

طراحی PCB از یکپارچه، از طریق مدار دیجیتال و پارتیشن مدار آنالوگ و سیم کشی سیگنال مناسب استفاده می کند، معمولاً می تواند برخی از مشکلات طرح بندی و سیم کشی دشوارتر را حل کند، اما همچنین مشکلات احتمالی ناشی از تقسیم زمین را ندارد. در این حالت، چیدمان و پارتیشن بندی اجزا در تعیین کیفیت طراحی بسیار مهم می شود. اگر به درستی تنظیم شود، جریان زمین دیجیتال به قسمت دیجیتال برد محدود می شود و با سیگنال آنالوگ تداخلی نخواهد داشت. چنین سیم کشی باید به دقت بررسی و بررسی شود تا از انطباق 100٪ با قوانین سیم کشی اطمینان حاصل شود. در غیر این صورت، یک خط سیگنال نامناسب یک برد مدار بسیار خوب را به طور کامل از بین می برد.

هنگام اتصال پایه‌های زمین آنالوگ و دیجیتال مبدل‌های A/D، اکثر سازندگان مبدل A/D توصیه می‌کنند که پایه‌های AGND و DGND را با استفاده از کوتاه‌ترین سیم‌ها به همان زمین با امپدانس پایین وصل کنید (توجه: از آنجا که اکثر تراشه های مبدل A/D زمین آنالوگ و دیجیتال را به صورت داخلی به یکدیگر متصل نمی کنند، زمین آنالوگ و دیجیتال باید از طریق پین های خارجی متصل شوند، هر امپدانس خارجی متصل به DGND نویز دیجیتال بیشتری را به مدار آنالوگ داخل آی سی از طریق انگلی متصل می کند. ظرفیت. پیرو این توصیه، هر دو پایه مبدل A/D AGND و DGND باید به زمین آنالوگ وصل شوند، اما این رویکرد سوالاتی را مطرح می‌کند که آیا انتهای زمین خازن جداکننده سیگنال دیجیتال باید به زمین آنالوگ وصل شود یا دیجیتال.

اگر سیستم فقط یک مبدل A/D داشته باشد، مشکل فوق به راحتی قابل حل است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، زمین شکافته شده و بخش های زمین آنالوگ و دیجیتال در زیر مبدل A/D به یکدیگر متصل شده اند. هنگامی که این روش اتخاذ می شود، لازم است اطمینان حاصل شود که عرض پل بین دو سایت برابر با عرض IC است و هیچ خط سیگنالی نمی تواند از شکاف پارتیشن عبور کند.

اگر سیستم مبدل های A/D زیادی دارد، مثلاً 10 مبدل A/D چگونه باید وصل شد؟ اگر زمین آنالوگ و دیجیتال زیر هر مبدل A/D متصل شوند، یک اتصال چند نقطه ای ایجاد می شود و جداسازی بین زمین آنالوگ و دیجیتال بی معنی خواهد بود. اگر این کار را نکنید، الزامات سازنده را نقض می کنید.

بهترین راه این است که با یونیفرم شروع کنید. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، زمین به طور یکنواخت به دو قسمت آنالوگ و دیجیتال تقسیم شده است. این طرح نه تنها الزامات سازندگان دستگاه های آی سی را برای اتصال امپدانس پایین پایه های زمین آنالوگ و دیجیتال برآورده می کند، بلکه از مشکلات EMC ناشی از آنتن حلقه یا آنتن دوقطبی نیز جلوگیری می کند.

اگر در مورد رویکرد یکپارچه طراحی PCB سیگنال مختلط شک دارید، می توانید از روش پارتیشن لایه زمین برای چیدمان و مسیریابی کل برد مدار استفاده کنید. در طراحی، باید توجه شود که برد مدار به راحتی با جامپرها یا مقاومت های 0 اهم با فاصله کمتر از 1/2 اینچ در آزمایش بعدی به یکدیگر متصل شود. به منطقه بندی و سیم کشی توجه کنید تا اطمینان حاصل کنید که هیچ خط سیگنال دیجیتال بالای بخش آنالوگ در تمام لایه ها و هیچ خط سیگنال آنالوگ بالای بخش دیجیتال نباشد. علاوه بر این، هیچ خط سیگنالی نباید از شکاف زمین عبور کند یا شکاف را بین منابع برق تقسیم کند. برای تست عملکرد برد و عملکرد EMC، عملکرد برد و عملکرد EMC را با اتصال دو طبقه به یکدیگر از طریق یک مقاومت یا جامپر 0 اهم دوباره آزمایش کنید. با مقایسه نتایج آزمایش، مشخص شد که تقریباً در همه موارد، راه حل یکپارچه از نظر عملکرد و عملکرد EMC نسبت به راه حل تقسیم برتری دارد.

آیا روش تقسیم زمین هنوز جواب می دهد؟

این رویکرد می تواند در سه موقعیت استفاده شود: برخی از دستگاه های پزشکی نیاز به جریان نشتی بسیار کم بین مدارها و سیستم های متصل به بیمار دارند. خروجی برخی از تجهیزات کنترل فرآیند صنعتی ممکن است به تجهیزات الکترومکانیکی پر سر و صدا و پر قدرت متصل شود. مورد دیگر زمانی است که LAYOUT PCB دارای محدودیت های خاصی است.

معمولاً منبع تغذیه دیجیتال و آنالوگ جداگانه روی برد PCB سیگنال مختلط وجود دارد که می تواند و باید دارای صفحه منبع تغذیه تقسیم شود. با این حال، خطوط سیگنال مجاور لایه منبع تغذیه نمی توانند از شکاف بین منابع تغذیه عبور کنند و تمام خطوط سیگنالی که از شکاف عبور می کنند باید در لایه مدار مجاور منطقه بزرگ قرار گیرند. در برخی موارد، منبع تغذیه آنالوگ را می توان با اتصالات PCB به جای یک صفحه طراحی کرد تا از تقسیم برق جلوگیری شود.

طراحی پارتیشن PCB سیگنال مختلط

طراحی PCB سیگنال مختلط یک فرآیند پیچیده است، در فرآیند طراحی باید به نکات زیر توجه شود:

1. PCB را به قسمت های جداگانه آنالوگ و دیجیتال تقسیم کنید.

2. چیدمان مناسب اجزا.

3. مبدل A/D در سراسر پارتیشن ها قرار می گیرد.

4. زمین را تقسیم نکنید. قسمت آنالوگ و قسمت دیجیتال برد مدار به صورت یکنواخت قرار گرفته اند.

5. در تمامی لایه های برد سیگنال دیجیتال فقط در قسمت دیجیتال برد قابل هدایت است.

6. در تمام لایه های برد، سیگنال های آنالوگ فقط در قسمت آنالوگ برد قابل روت هستند.

7. جداسازی برق آنالوگ و دیجیتال.

8. سیم کشی نباید فاصله بین سطوح منبع تغذیه تقسیم شده را بپوشاند.

9. خطوط سیگنالی که باید شکاف بین منابع تغذیه تقسیم شده را بپوشانند باید روی لایه سیم کشی مجاور یک منطقه بزرگ قرار گیرند.

10. مسیر و حالت واقعی جریان زمین را تجزیه و تحلیل کنید.

11. از قوانین سیم کشی صحیح استفاده کنید.