Tiivistelmä: Sekasignaalipiirin suunnittelu PCB on erittäin monimutkaista. Komponenttien sijoittelu ja johdotus sekä virtalähteen ja maadoitusjohdon käsittely vaikuttavat suoraan piirin suorituskykyyn ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden suorituskykyyn. Tässä artikkelissa esitelty maan ja tehon osiosuunnittelu voi optimoida sekasignaalipiirien suorituskyvyn.

Kuinka vähentää keskinäisiä häiriöitä digitaalisen ja analogisen signaalin välillä? Ennen suunnittelua meidän on ymmärrettävä sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) kaksi perusperiaatetta: Ensimmäinen periaate on minimoida virtasilmukan pinta-ala; toinen periaate on, että järjestelmä käyttää vain yhtä referenssipintaa. Päinvastoin, jos järjestelmässä on kaksi vertailutasoa, on mahdollista muodostaa dipoliantenni (Huom: pienen dipoliantennin säteilykoko on verrannollinen linjan pituuteen, virtaavan virran määrään ja taajuuteen); ja jos signaali ei pääse kulkemaan mahdollisimman paljon Pienen silmukan paluu voi muodostaa suuren silmukka-antennin (Huom: pienen silmukka-antennin säteilykoko on verrannollinen silmukan pinta-alaan, silmukan läpi kulkevaan virtaan ja neliöön taajuudesta). Vältä näitä kahta tilannetta niin paljon kuin mahdollista suunnittelussa.

On suositeltavaa erottaa digitaalinen maadoitus ja analoginen maa sekasignaalipiirilevyllä, jotta digitaalisen ja analogisen maan välinen eristys voidaan saavuttaa. Vaikka tämä menetelmä on käyttökelpoinen, siinä on monia mahdollisia ongelmia, erityisesti monimutkaisissa laajamittaisissa järjestelmissä. Kriittisin ongelma on, että sitä ei voida reitittää jakovälin yli. Kun jakoväli on reititetty, sähkömagneettinen säteily ja signaalin ylikuuluminen lisääntyvät jyrkästi. Yleisin ongelma piirilevysuunnittelussa on se, että signaalilinja ylittää jaetun maan tai virtalähteen ja aiheuttaa EMI-ongelmia.

Kuinka saavuttaa sekasignaalin piirilevyn osiosuunnittelu

Kuten kuvasta 1 näkyy, käytämme edellä mainittua jakomenetelmää ja signaalilinja ylittää kahden maan välisen raon. Mikä on signaalivirran paluutie? Olettaen, että kaksi jaettua maadoitusta on kytketty yhteen jossain (yleensä yksipisteyhteys tietyssä paikassa), maavirta muodostaa tässä tapauksessa suuren silmukan. Suuren silmukan läpi kulkeva suurtaajuusvirta tuottaa säteilyä ja korkean maainduktanssin. Jos matalan tason analoginen virta kulkee suuren silmukan läpi, ulkoiset signaalit häiritsevät virtaa helposti. Pahinta on, että kun jaetut maadoitukset kytketään yhteen virtalähteessä, muodostuu erittäin suuri virtasilmukka. Lisäksi analoginen maadoitus ja digitaalinen maa on yhdistetty pitkällä johdolla dipoliantennin muodostamiseksi.

Virran maahan palautumisen polun ja menetelmän ymmärtäminen on avain sekasignaalipiirilevyn suunnittelun optimointiin. Monet suunnittelijat ottavat huomioon vain, missä signaalivirta kulkee, ja jättävät huomioimatta virran tietyn polun. Jos maadoituskerros on jaettava ja johdotus on vedettävä jakovälin raon läpi, voidaan jaettujen maadoitusten välille tehdä yksipisteinen liitäntä muodostamaan yhteyssilta näiden kahden maan välille, ja sitten johdotus liitäntäsillan kautta. . Näin jokaisen signaalilinjan alle voidaan järjestää tasavirtapaluupolku, jolloin muodostuva silmukka-ala on pieni.

Optisten eristyslaitteiden tai muuntajien käytöllä voidaan myös saavuttaa signaali segmentointiraon yli. Edelliselle optinen signaali ylittää segmentointiraon; muuntajan tapauksessa magneettikenttä ylittää segmentointiraon. Toinen käyttökelpoinen tapa on käyttää differentiaalisignaaleja: signaali virtaa sisään yhdeltä linjalta ja palaa toisesta signaalilinjasta. Tässä tapauksessa maata ei tarvita paluureittinä.

Tutkiaksemme syvällisesti digitaalisten signaalien häiriöitä analogisiin signaaleihin meidän on ensin ymmärrettävä suurtaajuisten virtojen ominaisuudet. Suurtaajuuksisille virroille on aina valittava polku, jolla on pienin impedanssi (pienin induktanssi) ja suoraan signaalin alapuolelle, jotta paluuvirta kulkee viereisen piirikerroksen läpi riippumatta siitä, onko viereinen kerros tehokerros vai maakerros. .

Varsinaisessa työssä on yleensä taipumus käyttää yhtenäistä maadoitusta ja jakaa piirilevy analogiseen ja digitaaliseen osaan. Analoginen signaali reititetään piirilevyn kaikkien kerrosten analogiselle alueelle ja digitaalinen signaali digitaaliselle piirialueelle. Tässä tapauksessa digitaalisen signaalin paluuvirta ei kulje analogisen signaalin maahan.

Vain kun digitaalinen signaali on kytketty piirilevyn analogiseen osaan tai analoginen signaali on kytketty piirilevyn digitaaliseen osaan, digitaalisen signaalin häiriö analogiseen signaaliin ilmestyy. Tällaista ongelmaa ei esiinny, koska maadoitusta ei ole jaettu, todellinen syy on digitaalisen signaalin väärä johdotus.

Piirilevysuunnittelussa käytetään yhtenäistä maadoitusta digitaalisten piirien ja analogisten piirien osion ja asianmukaisen signaalijohdotuksen kautta, mikä yleensä voi ratkaista joitain vaikeampia asettelu- ja johdotusongelmia, eikä samalla aiheuta joitain mahdollisia maadoituksen aiheuttamia ongelmia. Tässä tapauksessa komponenttien asettelusta ja osioista tulee avain määritettäessä suunnittelun edut ja haitat. Jos asettelu on järkevä, digitaalinen maavirta rajoittuu piirilevyn digitaaliseen osaan, eikä se häiritse analogista signaalia. Tällaiset johdotukset on tarkastettava huolellisesti ja varmistettava, että johdotussääntöjä noudatetaan 100-prosenttisesti. Muuten signaalilinjan virheellinen reititys tuhoaa muuten erittäin hyvän piirilevyn kokonaan.

Kun kytket A/D-muuntimen analogisen maadoituksen ja digitaalisen maadoituksen yhteen, useimmat A/D-muuntimen valmistajat suosittelevat: Liitä AGND- ja DGND-nastat samaan matalaimpedanssiseen maahan lyhimmän johdon kautta. (Huomaa: Koska useimmat A/D-muunninpiirit eivät liitä analogista maadoitusta ja digitaalista maadoitusta yhteen, analoginen ja digitaalinen maa on kytkettävä ulkoisten nastojen kautta.) Kaikki DGND:hen liitetty ulkoinen impedanssi läpäisee loiskapasitanssin. Enemmän digitaalista kohinaa kytketään IC:n sisällä oleviin analogisiin piireihin. Tämän suosituksen mukaan sinun on kytkettävä A/D-muuntimen AGND- ja DGND-nastat analogiseen maahan, mutta tämä menetelmä aiheuttaa ongelmia, kuten pitäisikö digitaalisen signaalin erotuskondensaattorin maadoitusliitin kytkeä analogiseen maahan. tai digitaaliseen maahan.

Kuinka saavuttaa sekasignaalin piirilevyn osiosuunnittelu

Jos järjestelmässä on vain yksi A/D-muunnin, yllä olevat ongelmat voidaan ratkaista helposti. Kuten kuvassa 3, jaa maadoitus ja yhdistä analoginen maadoitus ja digitaalimaa yhteen A/D-muuntimen alle. Tätä menetelmää käytettäessä on varmistettava, että kahden maan välisen yhdyssillan leveys on sama kuin IC:n leveys, ja mikään signaalilinja ei voi ylittää jakoväliä.

Jos järjestelmässä on useita A/D-muuntimia, esimerkiksi kuinka liittää 10 A/D-muunninta? Jos analoginen maadoitus ja digitaalinen maa on kytketty yhteen kunkin A/D-muuntimen alla, syntyy monipisteliitäntä, jolloin analogisen ja digitaalisen maan välinen eristys on merkityksetön. Jos et muodosta yhteyttä tällä tavalla, se rikkoo valmistajan vaatimuksia.