PCB sekasignaalipiirin suunnittelu on hyvin monimutkaista. Komponenttien sijoittelu ja johdotus sekä virtalähteen ja maadoitusjohdon käsittely vaikuttavat suoraan piirin suorituskykyyn ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden suorituskykyyn. Tässä artikkelissa esitelty maa- ja virtalähteen osiosuunnittelu voi optimoida sekasignaalipiirien suorituskyvyn.

Kuinka vähentää häiriöitä digitaalisten ja analogisten signaalien välillä? Kaksi sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) perusperiaatetta on ymmärrettävä ennen suunnittelua: ensimmäinen periaate on minimoida virtasilmukan pinta-ala; Toinen periaate on, että järjestelmä käyttää vain yhtä vertailutasoa. Päinvastoin, jos järjestelmässä on kaksi vertailutasoa, on mahdollista muodostaa dipoliantenni (huom: pienen dipoliantennin säteily on verrannollinen linjan pituuteen, virtaavan virran määrään ja taajuuteen). Jos signaali ei palaa pienimmän mahdollisen silmukan kautta, voi muodostua suuri pyöreä antenni. Vältä molempia suunnittelussasi niin paljon kuin mahdollista.

On ehdotettu digitaalisen ja analogisen maadoituksen erottamista sekasignaalipiirilevyllä digitaalisen ja analogisen maan välisen eristyksen saavuttamiseksi. Vaikka tämä lähestymistapa on toteutettavissa, siinä on monia mahdollisia ongelmia, erityisesti suurissa ja monimutkaisissa järjestelmissä. Kriittisin ongelma on olla ylittämättä osiovälin johdotusta, kun osiovälin johdotus on ylitetty, sähkömagneettinen säteily ja signaalin ylikuuluminen kasvavat dramaattisesti. Yleisin ongelma piirilevysuunnittelussa on EMI-ongelma, jonka aiheuttaa signaalilinjan ylittäminen maan tai virtalähteen kanssa.

Kuten kuvasta 1 näkyy, käytämme yllä olevaa segmentointimenetelmää, ja signaalilinja kattaa kahden maan välisen raon, mikä on signaalivirran paluutie? Oletetaan, että kaksi ositettua maata on yhdistetty jossain kohdassa (yleensä yksi piste yhdessä pisteessä), jolloin maavirta muodostaa suuren silmukan. Suuren silmukan läpi kulkeva suurtaajuusvirta tuottaa säteilyä ja korkean maainduktanssin. Jos suuren silmukan läpi kulkeva matalatasoinen analoginen virta on helppo häiritä ulkoisilla signaaleilla. Pahinta on, että kun osat kytketään yhteen virtalähteellä, muodostuu erittäin suuri virtasilmukka. Lisäksi pitkällä johdolla yhdistetty analoginen ja digitaalinen maa muodostavat dipoliantennin.

Virran takaisinvirtauksen polun ja tilan ymmärtäminen maahan on avain sekasignaalipiirilevyn suunnittelun optimointiin. Monet suunnittelijat ottavat huomioon vain sen, missä signaalivirta kulkee, jättäen huomioimatta virran tietyn polun. Jos maakerros on osioitava ja se tulee reitittää väliseinien välisen raon läpi, voidaan jaetun maan väliin tehdä yksipisteinen yhteys muodostamaan yhteyssilta kahden maakerroksen välille ja reitittää sitten liitäntäsillan läpi. Tällä tavalla tasavirran takaisinvirtausreitti voidaan järjestää jokaisen signaalilinjan alapuolelle, mikä johtaa pieneen silmukka-alueeseen.

Segmentointiraon ylittävän signaalin toteuttamiseen voidaan käyttää myös optisia eristyslaitteita tai muuntajia. Edellisen osalta optinen signaali kattaa segmentointiraon. Muuntajan tapauksessa se on magneettikenttä, joka kattaa jakovälin. Myös differentiaalisignaalit ovat mahdollisia: signaalit virtaavat sisään yhdestä linjasta ja palaavat toisesta, jolloin niitä käytetään tarpeettomasti takaisinvirtausreiteinä.

To explore the interference of digital signal to analog signal, we must first understand the characteristics of high frequency current. Korkeataajuinen virta valitsee aina alimman impedanssin (induktanssin) polun suoraan signaalin alapuolelle, joten paluuvirta kulkee viereisen piirikerroksen läpi riippumatta siitä, onko viereinen kerros teholähdekerros vai maakerros.

Käytännössä on yleensä edullista käyttää yhtenäistä PCB-osiota analogisiin ja digitaalisiin osiin. Analogiset signaalit reititetään levyn kaikkien kerrosten analogiselle alueelle, kun taas digitaaliset signaalit reititetään digitaalisen piirin alueelle. Tässä tapauksessa digitaalisen signaalin paluuvirta ei virtaa analogisen signaalin maahan.

Häiriöitä digitaalisista signaaleista analogisiin signaaleihin esiintyy vain, kun digitaaliset signaalit reititetään tai analogiset signaalit reititetään piirilevyn digitaalisten osien yli. Tämä ongelma ei johdu segmentoinnin puutteesta, todellinen syy on digitaalisten signaalien väärä johdotus.

Piirilevyn suunnittelussa käytetään yhtenäistä digitaalisen ja analogisen piirin osion ja asianmukaisen signaalin johdotuksen kautta, yleensä se voi ratkaista joitain vaikeampia asettelu- ja johdotusongelmia, mutta sillä ei myöskään ole mahdollisia maan segmentoinnin aiheuttamia ongelmia. Tässä tapauksessa komponenttien asettelusta ja osioista tulee kriittistä suunnittelun laadun määrittämisessä. Jos se on asetettu oikein, digitaalinen maavirta rajoittuu kortin digitaaliseen osaan, eikä se häiritse analogista signaalia. Such wiring must be carefully checked and checked to ensure 100% compliance with wiring rules. Muuten väärä signaalilinja tuhoaa erittäin hyvän piirilevyn kokonaan.

Kun kytket A/D-muuntimien analogiset ja digitaaliset maadoitusnastat yhteen, useimmat A/D-muuntimien valmistajat suosittelevat AGND- ja DGND-nastan yhdistämistä samaan matalaimpedanssiseen maahan lyhimmällä johdolla (Huomautus: Koska useimmat A/D-muunninpiirit eivät liitä analogista ja digitaalista maadoitusta yhteen sisäisesti, analoginen ja digitaalinen maa on kytkettävä ulkoisten nastojen kautta), mikä tahansa DGND:hen liitetty ulkoinen impedanssi kytkee enemmän digitaalista kohinaa IC:n sisällä olevaan analogiseen piiriin loisten kautta. kapasitanssi. Tämän suosituksen mukaan sekä A/D-muuntimen AGND- että DGND-nastat on kytkettävä analogiseen maahan, mutta tämä lähestymistapa herättää kysymyksiä, kuten pitäisikö digitaalisen signaalin irrotuskondensaattorin maadoituspää kytkeä analogiseen vai digitaaliseen maahan.

Jos järjestelmässä on vain yksi A/D-muunnin, yllä oleva ongelma voidaan ratkaista helposti. Kuten kuvassa 3 näkyy, maadoitus on jaettu ja analogiset ja digitaaliset maadoitusosat on kytketty yhteen A/D-muuntimen alle. Kun tämä menetelmä otetaan käyttöön, on varmistettava, että kahden paikan välinen sillan leveys on yhtä suuri kuin IC:n leveys ja ettei mikään signaalilinja voi ylittää osioraon.

Jos järjestelmässä on useita A/D-muuntimia, esimerkiksi 10 A/D-muunninta, miten kytketään? Jos analoginen ja digitaalinen maa on kytketty kunkin A/D-muuntimen alle, tuloksena on monipisteyhteys ja analogisen ja digitaalisen maan välinen eristys on merkityksetön. Jos et, rikot valmistajan vaatimuksia.

Paras tapa on aloittaa univormulla. Kuten kuvasta 4 näkyy, maa on jaettu tasaisesti analogisiin ja digitaalisiin osiin. Tämä asettelu ei ainoastaan ​​täytä IC-laitteiden valmistajien vaatimuksia analogisten ja digitaalisten maadoitusnastojen alhaisen impedanssin kytkemiseksi, vaan myös välttää silmukka- tai dipoliantennin aiheuttamat EMC-ongelmat.

Jos epäilet yhdistetyn signaalin piirilevyn suunnittelua, voit käyttää maakerroksen osiomenetelmää koko piirilevyn asettamiseen ja reitittämiseen. Suunnittelussa tulee kiinnittää huomiota siihen, että piirilevy on helppo kytkeä yhteen hyppyjohtimilla tai 0 ohmin vastuksilla, jotka ovat alle 1/2 tuuman etäisyydellä toisistaan ​​myöhemmässä kokeessa. Kiinnitä huomiota kaavoitukseen ja johdotukseen varmistaaksesi, ettei digitaalisia signaalilinjoja ole analogisen osan yläpuolella kaikilla tasoilla ja ettei analogisia signaalilinjoja ole digitaalisen osan yläpuolella. Lisäksi mikään signaalilinja ei saa ylittää maarakoa tai jakaa aukkoa virtalähteiden välillä. Testaaksesi levyn toimintaa ja EMC-suorituskykyä, testaa uudelleen levyn toiminta ja EMC-suorituskyky yhdistämällä kaksi kerrosta yhteen 0 ohmin vastuksella tai hyppyjohdolla. Testituloksia vertailemalla todettiin, että lähes kaikissa tapauksissa yhtenäinen ratkaisu oli toiminnallisuudeltaan ja EMC-suorituskyvyltään parempi verrattuna split-ratkaisuun.

Toimiiko maanjakomenetelmä edelleen?

Tätä lähestymistapaa voidaan käyttää kolmessa tilanteessa: jotkin lääketieteelliset laitteet vaativat erittäin pienen vuotovirran potilaaseen kytkettyjen piirien ja järjestelmien välillä; Joidenkin teollisuusprosessien ohjauslaitteiden lähtö voi olla kytkettynä meluisiin ja suuritehoisiin sähkömekaanisiin laitteisiin; Toinen tapaus on, kun piirilevyn ASETTELU on tiettyjen rajoitusten alainen.

Sekasignaalin piirilevyllä on yleensä erilliset digitaaliset ja analogiset teholähteet, joilla voi ja pitäisi olla jaettu virtalähdepinta. Teholähdekerroksen viereiset signaalijohdot eivät kuitenkaan voi ylittää teholähteiden välistä rakoa, ja kaikkien raon ylittävien signaalilinjojen on sijaittava suuren alueen vieressä olevalla piirikerroksella. Joissakin tapauksissa analoginen virtalähde voidaan suunnitella PCB-liitännöillä yhden pinnan sijasta, jotta vältetään tehopintojen jakautuminen.

Sekasignaalin piirilevyn osiosuunnittelu

Sekasignaalin piirilevyn suunnittelu on monimutkainen prosessi, suunnitteluprosessissa tulee kiinnittää huomiota seuraaviin kohtiin:

1. Jaa piirilevy erillisiin analogisiin ja digitaalisiin osiin.

2. Oikea komponenttiasettelu.

3. A/D-muunnin sijoitetaan osioiden yli.

4. Älä jaa maata. Piirilevyn analoginen ja digitaalinen osa asetetaan tasaisesti.

5. Kaikissa levyn kerroksissa digitaalinen signaali voidaan reitittää vain kortin digitaalisessa osassa.

6. Kaikissa levyn kerroksissa analogiset signaalit voidaan reitittää vain kortin analogisessa osassa.

7. Analoginen ja digitaalinen tehonerotus.

8. Johdot eivät saa ulottua jaettujen virtalähteiden pintojen väliseen rakoon.

9. Signaalilinjojen, joiden on ylitettävä jaettujen teholähteiden välinen rako, tulee sijaita johdotuskerroksessa suuren alueen vieressä.

10. Analysoi maavirran todellinen reitti ja tila.

11. Käytä oikeita johdotussääntöjä.