PCB la conception du circuit de signaux mixtes est très compliquée. La disposition et le câblage des composants et le traitement de l’alimentation et du fil de terre affecteront directement les performances du circuit et les performances de compatibilité électromagnétique. La conception de partition de la terre et de l’alimentation présentée dans cet article peut optimiser les performances des circuits à signaux mixtes.

Comment réduire les interférences entre les signaux numériques et analogiques ? Deux principes de base de la compatibilité électromagnétique (CEM) doivent être compris avant la conception : le premier principe est de minimiser la surface de la boucle de courant ; Le deuxième principe est que le système utilise un seul plan de référence. Au contraire, si le système a deux plans de référence, il est possible de former une antenne dipôle (remarque : le rayonnement d’une petite antenne dipôle est proportionnel à la longueur de la ligne, à la quantité de courant circulant et à la fréquence). Si le signal ne revient pas par la plus petite boucle possible, une grande antenne circulaire peut être formée. Évitez autant que possible les deux dans votre conception.

Il a été suggéré de séparer la masse numérique et la masse analogique sur la carte de circuit à signaux mixtes pour obtenir une isolation entre la masse numérique et la masse analogique. Bien que cette approche soit réalisable, elle présente de nombreux problèmes potentiels, en particulier dans les systèmes grands et complexes. Le problème le plus critique est de ne pas traverser le câblage de l’espace de séparation, une fois franchi le câblage de l’espace de séparation, le rayonnement électromagnétique et la diaphonie du signal augmenteront considérablement. Le problème le plus courant dans la conception des PCB est le problème EMI causé par la ligne de signal traversant la terre ou l’alimentation.

Comme le montre la figure 1, nous utilisons la méthode de segmentation ci-dessus et la ligne de signal couvre l’écart entre les deux masses, quel est le chemin de retour du courant de signal ? Supposons que les deux terres partitionnées soient connectées à un certain point (généralement un seul point à un point), auquel cas le courant de terre formera une grande boucle. Le courant haute fréquence circulant dans la grande boucle générera un rayonnement et une inductance de terre élevée. Si le courant analogique de bas niveau circulant dans la grande boucle peut facilement être perturbé par des signaux externes. Le pire est que lorsque les sections sont connectées ensemble à la source d’alimentation, une très grande boucle de courant se forme. De plus, les masses analogique et numérique reliées par un long fil forment une antenne dipôle.

Comprendre le chemin et le mode de reflux du courant vers la terre est la clé pour optimiser la conception des circuits imprimés à signaux mixtes. De nombreux ingénieurs de conception ne considèrent que l’endroit où le courant de signal circule, ignorant le chemin spécifique du courant. Si la couche de sol doit être partitionnée et doit être acheminée à travers l’espace entre les cloisons, une connexion en un seul point peut être établie entre la terre partitionnée pour former un pont de connexion entre les deux couches de sol, puis acheminée à travers le pont de connexion. De cette manière, un chemin de retour de courant continu peut être fourni en dessous de chaque ligne de signal, résultant en une petite zone de boucle.

Des dispositifs d’isolation optique ou des transformateurs peuvent également être utilisés pour réaliser le signal traversant l’espace de segmentation. Pour le premier, c’est le signal optique qui traverse l’intervalle de segmentation. Dans le cas d’un transformateur, c’est le champ magnétique qui traverse l’entrefer. Des signaux différentiels sont également possibles : les signaux arrivent d’une ligne et reviennent de l’autre, auquel cas ils sont inutilement utilisés comme chemins de refoulement.

Pour explorer l’interférence du signal numérique au signal analogique, nous devons d’abord comprendre les caractéristiques du courant à haute fréquence. Le courant haute fréquence choisit toujours le chemin avec l’impédance la plus faible (inductance) directement en dessous du signal, de sorte que le courant de retour traversera la couche de circuit adjacente, que la couche adjacente soit la couche d’alimentation ou la couche de masse.

En pratique, il est généralement préférable d’utiliser une partition PCB uniforme en parties analogiques et numériques. Les signaux analogiques sont acheminés dans la région analogique de toutes les couches de la carte, tandis que les signaux numériques sont acheminés dans la région du circuit numérique. Dans ce cas, le courant de retour du signal numérique ne circule pas dans la masse du signal analogique.

Les interférences entre les signaux numériques et les signaux analogiques se produisent uniquement lorsque les signaux numériques sont acheminés ou que les signaux analogiques sont acheminés sur les parties numériques de la carte de circuit imprimé. Ce problème n’est pas dû au manque de segmentation, la vraie raison est le mauvais câblage des signaux numériques.

La conception des circuits imprimés utilise un circuit unifié, à travers la partition de circuit numérique et de circuit analogique et le câblage de signal approprié, peut généralement résoudre certains des problèmes de disposition et de câblage les plus difficiles, mais n’a pas non plus de problèmes potentiels causés par la segmentation au sol. Dans ce cas, la disposition et le partitionnement des composants deviennent essentiels pour déterminer la qualité de la conception. S’il est correctement disposé, le courant de terre numérique sera limité à la partie numérique de la carte et n’interférera pas avec le signal analogique. Un tel câblage doit être soigneusement vérifié et vérifié pour assurer une conformité à 100% avec les règles de câblage. Sinon, une ligne de signal incorrecte détruira complètement une très bonne carte de circuit imprimé.

Lors de la connexion des broches de terre analogiques et numériques des convertisseurs A/N ensemble, la plupart des fabricants de convertisseurs A/N recommandent de connecter les broches AGND et DGND à la même terre à faible impédance en utilisant les fils les plus courts (Remarque : Étant donné que la plupart des puces de convertisseur A/N ne connectent pas les masses analogique et numérique ensemble en interne, les masses analogique et numérique doivent être connectées via des broches externes), toute impédance externe connectée à DGND couplera plus de bruit numérique au circuit analogique à l’intérieur du circuit intégré via un parasite capacitance. Suite à cette recommandation, les broches AGND et DGND du convertisseur A/N doivent être connectées à la terre analogique, mais cette approche soulève des questions telles que si l’extrémité de terre du condensateur de découplage du signal numérique doit être connectée à la terre analogique ou numérique.

Si le système n’a qu’un seul convertisseur A/N, le problème ci-dessus peut être facilement résolu. Comme le montre la figure 3, la masse est divisée et les sections de masse analogique et numérique sont connectées ensemble sous le convertisseur A/N. Lorsque cette méthode est adoptée, il est nécessaire de s’assurer que la largeur du pont entre les deux sites est égale à la largeur du CI, et qu’aucune ligne de signal ne peut traverser l’espace de séparation.

Si le système dispose de nombreux convertisseurs A/N, par exemple, 10 convertisseurs A/D, comment se connecter ? Si la terre analogique et numérique sont connectées sous chaque convertisseur A/N, une connexion multipoint en résultera et l’isolation entre la terre analogique et numérique n’aura aucun sens. Si vous ne le faites pas, vous violez les exigences du fabricant.

La meilleure façon est de commencer avec un uniforme. Comme le montre la figure 4, le sol est uniformément divisé en parties analogiques et numériques. Cette disposition répond non seulement aux exigences des fabricants de dispositifs IC pour la connexion à faible impédance des broches de masse analogiques et numériques, mais évite également les problèmes CEM causés par l’antenne cadre ou l’antenne dipôle.

Si vous avez des doutes sur l’approche unifiée de la conception de circuits imprimés à signaux mixtes, vous pouvez utiliser la méthode de partition de la couche de masse pour disposer et acheminer l’ensemble du circuit imprimé. Dans la conception, il convient de veiller à ce que la carte de circuit imprimé soit facile à connecter avec des cavaliers ou des résistances de 0 ohm espacées de moins de 1/2 pouce dans l’expérience ultérieure. Faites attention au zonage et au câblage pour vous assurer qu’aucune ligne de signal numérique ne se trouve au-dessus de la section analogique sur toutes les couches et qu’aucune ligne de signal analogique ne se trouve au-dessus de la section numérique. De plus, aucune ligne de signal ne doit traverser l’écart de masse ou diviser l’écart entre les sources d’alimentation. Pour tester le fonctionnement de la carte et les performances CEM, testez à nouveau le fonctionnement et les performances CEM de la carte en connectant les deux étages ensemble via une résistance ou un cavalier de 0 ohm. En comparant les résultats des tests, il a été constaté que dans presque tous les cas, la solution unifiée était supérieure en termes de fonctionnalités et de performances EMC par rapport à la solution divisée.

La méthode de division de la terre fonctionne-t-elle toujours?

Cette approche peut être utilisée dans trois situations : certains dispositifs médicaux nécessitent un courant de fuite très faible entre les circuits et les systèmes connectés au patient ; La sortie de certains équipements de contrôle de processus industriels peut être connectée à des équipements électromécaniques bruyants et à haute puissance ; Un autre cas est lorsque le LAYOUT du PCB est soumis à des restrictions spécifiques.

Il existe généralement des alimentations numériques et analogiques distinctes sur une carte de circuit imprimé à signaux mixtes qui peuvent et doivent avoir une face d’alimentation divisée. Cependant, les lignes de signal adjacentes à la couche d’alimentation ne peuvent pas traverser l’espace entre les alimentations, et toutes les lignes de signal qui traversent l’espace doivent être situées sur la couche de circuit adjacente à la grande zone. Dans certains cas, l’alimentation analogique peut être conçue avec des connexions PCB plutôt qu’une face pour éviter la division de la face d’alimentation.

Conception de partition de PCB à signaux mixtes

La conception de circuits imprimés à signaux mixtes est un processus complexe, le processus de conception doit prêter attention aux points suivants :

1. Divisez le PCB en parties analogiques et numériques séparées.

2. Disposition appropriée des composants.

3. Le convertisseur A/N est placé sur les partitions.

4. Ne divisez pas le sol. La partie analogique et la partie numérique du circuit imprimé sont posées uniformément.

5. Dans toutes les couches de la carte, le signal numérique ne peut être acheminé que dans la partie numérique de la carte.

6. Dans toutes les couches de la carte, les signaux analogiques ne peuvent être acheminés que dans la partie analogique de la carte.

7. Séparation de puissance analogique et numérique.

8. Le câblage ne doit pas couvrir l’espace entre les surfaces d’alimentation séparées.

9. Les lignes de signal qui doivent couvrir l’espace entre les alimentations séparées doivent être situées sur la couche de câblage adjacente à une grande zone.

10. Analysez le chemin réel et le mode de circulation du courant de terre.

11. Utilisez les règles de câblage correctes.