पीसीबी मिश्रित सिग्नल सर्किट का डिज़ाइन बहुत जटिल है। घटकों के लेआउट और तारों और बिजली की आपूर्ति और जमीन के तार की प्रसंस्करण सीधे सर्किट प्रदर्शन और विद्युत चुम्बकीय संगतता प्रदर्शन को प्रभावित करेगी। इस पेपर में पेश की गई जमीन और बिजली आपूर्ति का विभाजन डिजाइन मिश्रित-सिग्नल सर्किट के प्रदर्शन को अनुकूलित कर सकता है।

डिजिटल और एनालॉग सिग्नल के बीच हस्तक्षेप को कैसे कम करें? डिजाइन से पहले विद्युत चुम्बकीय संगतता (ईएमसी) के दो बुनियादी सिद्धांतों को समझा जाना चाहिए: पहला सिद्धांत वर्तमान लूप के क्षेत्र को कम करना है; दूसरा सिद्धांत यह है कि सिस्टम केवल एक संदर्भ विमान का उपयोग करता है। इसके विपरीत, यदि सिस्टम में दो संदर्भ विमान हैं, तो एक द्विध्रुवीय एंटीना बनाना संभव है (नोट: एक छोटे द्विध्रुवीय एंटीना का विकिरण रेखा की लंबाई, प्रवाह की मात्रा और आवृत्ति के समानुपाती होता है)। यदि सिग्नल सबसे छोटे संभव लूप के माध्यम से वापस नहीं आता है, तो एक बड़ा गोलाकार एंटीना बन सकता है। जितना हो सके अपने डिजाइन में दोनों से बचें।

डिजिटल ग्राउंड और एनालॉग ग्राउंड के बीच अलगाव प्राप्त करने के लिए मिश्रित सिग्नल सर्किट बोर्ड पर डिजिटल ग्राउंड और एनालॉग ग्राउंड को अलग करने का सुझाव दिया गया है। हालांकि यह दृष्टिकोण व्यवहार्य है, इसमें कई संभावित समस्याएं हैं, खासकर बड़ी और जटिल प्रणालियों में। सबसे महत्वपूर्ण समस्या विभाजन अंतर तारों को पार नहीं करना है, एक बार विभाजन अंतर तारों को पार करने के बाद, विद्युत चुम्बकीय विकिरण और सिग्नल क्रॉसस्टॉक नाटकीय रूप से बढ़ जाएगा। पीसीबी डिजाइन में सबसे आम समस्या ईएमआई समस्या है जो सिग्नल लाइन को जमीन या बिजली की आपूर्ति को पार करने के कारण होती है।

जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, हम उपरोक्त विभाजन विधि का उपयोग करते हैं, और सिग्नल लाइन दो जमीन के बीच की खाई को फैलाती है, सिग्नल करंट का रिटर्न पथ क्या है? मान लीजिए कि दो विभाजित भूमि किसी बिंदु पर (आमतौर पर एक बिंदु पर एक बिंदु) जुड़ी हुई है, तो उस स्थिति में पृथ्वी की धारा एक बड़े लूप का निर्माण करेगी। बड़े लूप से बहने वाली उच्च आवृत्ति धारा विकिरण और उच्च भूमि अधिष्ठापन उत्पन्न करेगी। यदि बड़े लूप के माध्यम से बहने वाली निम्न स्तर की एनालॉग धारा बाहरी संकेतों द्वारा हस्तक्षेप करना आसान है। सबसे बुरी बात यह है कि जब बिजली के स्रोत पर वर्गों को एक साथ जोड़ा जाता है, तो एक बहुत बड़ा करंट लूप बनता है। इसके अलावा, एक लंबे तार से जुड़े एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड एक द्विध्रुवीय एंटीना बनाते हैं।

मिश्रित-सिग्नल सर्किट बोर्ड डिज़ाइन को अनुकूलित करने के लिए वर्तमान बैकफ़्लो के पथ और मोड को समझना महत्वपूर्ण है। कई डिज़ाइन इंजीनियर केवल इस बात पर विचार करते हैं कि करंट के विशिष्ट पथ की अनदेखी करते हुए, सिग्नल करंट कहाँ प्रवाहित होता है। यदि जमीन की परत को विभाजित किया जाना चाहिए और विभाजन के बीच की खाई के माध्यम से रूट किया जाना चाहिए, तो दो जमीनी परतों के बीच एक कनेक्शन पुल बनाने के लिए विभाजित जमीन के बीच एक एकल बिंदु कनेक्शन बनाया जा सकता है और फिर कनेक्शन पुल के माध्यम से रूट किया जा सकता है। इस तरह, प्रत्येक सिग्नल लाइन के नीचे एक प्रत्यक्ष वर्तमान बैकफ्लो पथ प्रदान किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप एक छोटा लूप क्षेत्र होता है।

ऑप्टिकल आइसोलेशन डिवाइस या ट्रांसफॉर्मर का उपयोग सेगमेंटेशन गैप को पार करने वाले सिग्नल को महसूस करने के लिए भी किया जा सकता है। पूर्व के लिए, यह ऑप्टिकल सिग्नल है जो सेगमेंटेशन गैप को फैलाता है। एक ट्रांसफॉर्मर के मामले में, यह चुंबकीय क्षेत्र है जो विभाजन अंतराल को फैलाता है। विभेदक संकेत भी संभव हैं: संकेत एक पंक्ति से प्रवाहित होते हैं और दूसरी से लौटते हैं, इस स्थिति में उन्हें अनावश्यक रूप से बैकफ़्लो पथ के रूप में उपयोग किया जाता है।

एनालॉग सिग्नल में डिजिटल सिग्नल के हस्तक्षेप का पता लगाने के लिए, हमें पहले उच्च आवृत्ति करंट की विशेषताओं को समझना चाहिए। हाई-फ़्रीक्वेंसी करंट हमेशा सिग्नल के नीचे सबसे कम प्रतिबाधा (अधिष्ठापन) के साथ पथ चुनता है, इसलिए रिटर्न करंट आसन्न सर्किट परत के माध्यम से प्रवाहित होगा, भले ही आसन्न परत बिजली की आपूर्ति परत हो या जमीन की परत।

व्यवहार में, आम तौर पर एनालॉग और डिजिटल भागों में एक समान पीसीबी विभाजन का उपयोग करना पसंद किया जाता है। एनालॉग सिग्नल को बोर्ड की सभी परतों के एनालॉग क्षेत्र में रूट किया जाता है, जबकि डिजिटल सिग्नल को डिजिटल सर्किट क्षेत्र में रूट किया जाता है। इस मामले में, डिजिटल सिग्नल रिटर्न करंट एनालॉग सिग्नल के ग्राउंड में प्रवाहित नहीं होता है।

डिजिटल सिग्नल से एनालॉग सिग्नल में हस्तक्षेप तभी होता है जब डिजिटल सिग्नल को पार किया जाता है या एनालॉग सिग्नल को सर्किट बोर्ड के डिजिटल भागों पर रूट किया जाता है। यह समस्या विभाजन की कमी के कारण नहीं है, वास्तविक कारण डिजिटल सिग्नल की अनुचित वायरिंग है।

पीसीबी डिजाइन एकीकृत, डिजिटल सर्किट और एनालॉग सर्किट विभाजन और उपयुक्त सिग्नल वायरिंग के माध्यम से उपयोग करता है, आमतौर पर कुछ अधिक कठिन लेआउट और वायरिंग समस्याओं को हल कर सकता है, लेकिन ग्राउंड सेगमेंटेशन के कारण कुछ संभावित परेशानी भी नहीं होती है। इस मामले में, डिजाइन की गुणवत्ता निर्धारित करने में घटकों का लेआउट और विभाजन महत्वपूर्ण हो जाता है। यदि ठीक से रखा गया है, तो डिजिटल ग्राउंड करंट बोर्ड के डिजिटल हिस्से तक सीमित रहेगा और एनालॉग सिग्नल में हस्तक्षेप नहीं करेगा। वायरिंग नियमों का 100% अनुपालन सुनिश्चित करने के लिए ऐसी वायरिंग की सावधानीपूर्वक जाँच और जाँच की जानी चाहिए। अन्यथा, एक अनुचित सिग्नल लाइन एक बहुत अच्छे सर्किट बोर्ड को पूरी तरह से नष्ट कर देगी।

ए/डी कन्वर्टर्स के एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड पिन को एक साथ जोड़ते समय, अधिकांश ए/डी कनवर्टर निर्माता एजीएनडी और डीजीएनडी पिन को कम से कम लीड का उपयोग करके एक ही कम-प्रतिबाधा जमीन से जोड़ने की सलाह देते हैं (नोट: चूंकि अधिकांश ए/डी कनवर्टर चिप्स आंतरिक रूप से एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड को एक साथ नहीं जोड़ते हैं, एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड को बाहरी पिन के माध्यम से जोड़ा जाना चाहिए), डीजीएनडी से जुड़ा कोई भी बाहरी प्रतिबाधा परजीवी के माध्यम से आईसी के अंदर एनालॉग सर्किट में अधिक डिजिटल शोर जोड़ेगी समाई इस सिफारिश के बाद, ए/डी कनवर्टर एजीएनडी और डीजीएनडी पिन दोनों को एनालॉग ग्राउंड से कनेक्ट करने की आवश्यकता है, लेकिन यह दृष्टिकोण इस तरह के सवाल उठाता है कि क्या डिजिटल सिग्नल डिकूपिंग कैपेसिटर का ग्राउंड एंड एनालॉग या डिजिटल ग्राउंड से जुड़ा होना चाहिए।

यदि सिस्टम में केवल एक A/D कनवर्टर है, तो उपरोक्त समस्या को आसानी से हल किया जा सकता है। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, जमीन विभाजित है और ए/डी कनवर्टर के तहत एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड सेक्शन एक साथ जुड़े हुए हैं। जब इस पद्धति को अपनाया जाता है, तो यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि दो साइटों के बीच पुल की चौड़ाई आईसी चौड़ाई के बराबर है, और यह कि कोई भी सिग्नल लाइन विभाजन के अंतराल को पार नहीं कर सकती है।

यदि सिस्टम में कई ए/डी कन्वर्टर्स हैं, उदाहरण के लिए, 10 ए/डी कन्वर्टर्स कैसे कनेक्ट करें? यदि प्रत्येक ए/डी कनवर्टर के तहत एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड जुड़े हुए हैं, तो एक मल्टीपॉइंट कनेक्शन का परिणाम होगा, और एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड के बीच अलगाव अर्थहीन होगा। यदि आप नहीं करते हैं, तो आप निर्माता की आवश्यकताओं का उल्लंघन करते हैं।

वर्दी के साथ शुरुआत करना सबसे अच्छा तरीका है। जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, जमीन समान रूप से एनालॉग और डिजिटल भागों में विभाजित है। यह लेआउट न केवल एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड पिन के कम प्रतिबाधा कनेक्शन के लिए आईसी डिवाइस निर्माताओं की आवश्यकताओं को पूरा करता है, बल्कि लूप एंटीना या डीपोल एंटीना के कारण होने वाली ईएमसी समस्याओं से भी बचाता है।

यदि आपको मिश्रित-सिग्नल पीसीबी डिज़ाइन के एकीकृत दृष्टिकोण के बारे में संदेह है, तो आप पूरे सर्किट बोर्ड को बिछाने और रूट करने के लिए ग्राउंड लेयर पार्टीशन की विधि का उपयोग कर सकते हैं। डिजाइन में, सर्किट बोर्ड को जंपर्स या 0 ओम प्रतिरोधों के साथ जोड़ा जाना आसान बनाने के लिए बाद के प्रयोग में 1/2 इंच से कम दूरी पर ध्यान देना चाहिए। यह सुनिश्चित करने के लिए ज़ोनिंग और वायरिंग पर ध्यान दें कि कोई भी डिजिटल सिग्नल लाइन सभी परतों पर एनालॉग सेक्शन के ऊपर नहीं है और कोई भी एनालॉग सिग्नल लाइन डिजिटल सेक्शन के ऊपर नहीं है। इसके अलावा, किसी भी सिग्नल लाइन को जमीनी अंतर को पार नहीं करना चाहिए या बिजली स्रोतों के बीच के अंतर को विभाजित नहीं करना चाहिए। बोर्ड के कार्य और ईएमसी प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए, दो मंजिलों को एक 0 ओम रोकनेवाला या जम्पर के माध्यम से जोड़कर बोर्ड के कार्य और ईएमसी प्रदर्शन को दोबारा जांचें। परीक्षण के परिणामों की तुलना में, यह पाया गया कि लगभग सभी मामलों में, एकीकृत समाधान कार्यक्षमता और ईएमसी प्रदर्शन के मामले में विभाजित समाधान की तुलना में बेहतर था।

क्या जमीन को बांटने का तरीका अब भी काम करता है?

इस दृष्टिकोण का उपयोग तीन स्थितियों में किया जा सकता है: कुछ चिकित्सा उपकरणों को रोगी से जुड़े सर्किट और सिस्टम के बीच बहुत कम रिसाव की आवश्यकता होती है; कुछ औद्योगिक प्रक्रिया नियंत्रण उपकरणों के उत्पादन को शोर और उच्च शक्ति वाले विद्युत उपकरण से जोड़ा जा सकता है; एक अन्य मामला तब है जब पीसीबी का लेआउट विशिष्ट प्रतिबंधों के अधीन है।

मिश्रित-सिग्नल पीसीबी बोर्ड पर आम तौर पर अलग-अलग डिजिटल और एनालॉग बिजली की आपूर्ति होती है जो एक विभाजित बिजली आपूर्ति चेहरा हो सकती है और होनी चाहिए। हालाँकि, बिजली आपूर्ति परत से सटे सिग्नल लाइनें बिजली की आपूर्ति के बीच के अंतर को पार नहीं कर सकती हैं, और सभी सिग्नल लाइनें जो अंतराल को पार करती हैं, उन्हें बड़े क्षेत्र से सटे सर्किट परत पर स्थित होना चाहिए। कुछ मामलों में, पावर फेस स्प्लिटिंग से बचने के लिए एनालॉग पावर सप्लाई को एक फेस के बजाय PCB कनेक्शन के साथ डिजाइन किया जा सकता है।

मिश्रित सिग्नल पीसीबी का विभाजन डिजाइन

मिश्रित सिग्नल पीसीबी डिजाइन एक जटिल प्रक्रिया है, डिजाइन प्रक्रिया को निम्नलिखित बिंदुओं पर ध्यान देना चाहिए:

1. पीसीबी को अलग-अलग एनालॉग और डिजिटल भागों में विभाजित करें।

2. उचित घटक लेआउट।

3. A/D कन्वर्टर को सभी पार्टिशन में रखा गया है।

4. जमीन को मत बांटो। सर्किट बोर्ड के एनालॉग भाग और डिजिटल भाग समान रूप से रखे गए हैं।

5. बोर्ड की सभी परतों में, डिजिटल सिग्नल को केवल बोर्ड के डिजिटल भाग में ही रूट किया जा सकता है।

6. बोर्ड की सभी परतों में, एनालॉग सिग्नल को केवल बोर्ड के एनालॉग भाग में ही रूट किया जा सकता है।

7. एनालॉग और डिजिटल पावर सेपरेशन।

8. तारों को विभाजित बिजली आपूर्ति सतहों के बीच की खाई को नहीं फैलाना चाहिए।

9. सिग्नल लाइनें जो विभाजित बिजली आपूर्ति के बीच की खाई को फैलाना चाहिए, एक बड़े क्षेत्र से सटे तारों की परत पर स्थित होनी चाहिए।

10. पृथ्वी के प्रवाह के वास्तविक पथ और मोड का विश्लेषण करें।

11. सही वायरिंग नियमों का प्रयोग करें।