Sažetak: Dizajn kruga mješovitog signala PCB je vrlo komplicirano. Raspored i ožičenje komponenti te obrada napajanja i žice za uzemljenje izravno će utjecati na performanse kruga i performanse elektromagnetske kompatibilnosti. Dizajn particije uzemljenja i napajanja uveden u ovom članku može optimizirati performanse krugova s ​​mješovitim signalom.

Kako smanjiti međusobne smetnje između digitalnog i analognog signala? Prije projektiranja, moramo razumjeti dva osnovna principa elektromagnetske kompatibilnosti (EMC): Prvi princip je minimizirati područje strujne petlje; drugi princip je da sustav koristi samo jednu referentnu površinu. Naprotiv, ako sustav ima dvije referentne ravnine, moguće je formirati dipolnu antenu (Napomena: veličina zračenja male dipolne antene proporcionalna je duljini linije, količini struje koja teče i frekvenciji); i ako signal ne može proći što je moguće više Povratak male petlje može formirati veliku okvirnu antenu (Napomena: veličina zračenja male okvirne antene proporcionalna je području petlje, struji koja teče kroz petlju i kvadratu frekvencije). Izbjegavajte ove dvije situacije što je više moguće u dizajnu.

Predlaže se odvojiti digitalno uzemljenje i analogno uzemljenje na ploči s mješovitim signalom, tako da se može postići izolacija između digitalnog uzemljenja i analognog uzemljenja. Iako je ova metoda izvediva, postoji mnogo potencijalnih problema, osobito u složenim sustavima velikih razmjera. Najkritičniji problem je taj što se ne može usmjeriti preko divizijskog jaza. Nakon što se razmak podjele usmjeri, elektromagnetsko zračenje i preslušavanje signala naglo će se povećati. Najčešći problem u dizajnu PCB-a je taj što signalna linija prelazi podijeljenu masu ili napajanje i stvara probleme EMI.

Kako postići dizajn particija PCB-a s mješovitim signalom

Kao što je prikazano na slici 1, koristimo gore spomenutu metodu podjele, a signalna linija prelazi prazninu između dva tla. Koliki je povratni put signalne struje? Pod pretpostavkom da su dva uzemljenja koja su podijeljena negdje spojena zajedno (obično jedna točka veza na određenom mjestu), u ovom slučaju struja uzemljenja će formirati veliku petlju. Struja visoke frekvencije koja teče kroz veliku petlju stvara zračenje i visoku induktivnost zemlje. Ako analogna struja niske razine teče kroz veliku petlju, struju lako ometaju vanjski signali. Najgore je to što će se, kada se podijeljena uzemljenja spoje zajedno na napajanje, formirati vrlo velika strujna petlja. Osim toga, analogno uzemljenje i digitalno uzemljenje spojeni su dugom žicom da tvore dipolnu antenu.

Razumijevanje puta i metode povrata struje na masu ključ je za optimizaciju dizajna pločice s mješovitim signalom. Mnogi dizajneri razmatraju samo gdje struja signala teče, a zanemaruju specifičan put struje. Ako se sloj uzemljenja mora podijeliti, a ožičenje mora biti provučeno kroz razmak između pregrada, može se napraviti veza u jednoj točki između podijeljenih uzemljenja kako bi se formirao spojni most između dva uzemljenja, a zatim ožičenje kroz spojni most . Na taj se način može osigurati povratni put istosmjerne struje ispod svakog signalnog voda, tako da je formirana površina petlje mala.

Korištenjem optičkih izolacijskih uređaja ili transformatora također se može postići signal kroz segmentacijski jaz. Za prve, optički signal prelazi segmentacijski jaz; u slučaju transformatora, magnetsko polje prelazi segmentni jaz. Druga izvediva metoda je korištenje diferencijalnih signala: signal ulazi iz jedne linije i vraća se iz druge signalne linije. U ovom slučaju tlo nije potrebno kao povratni put.

Da bismo duboko istražili interferenciju digitalnih signala s analognim signalima, prvo moramo razumjeti karakteristike visokofrekventnih struja. Za visokofrekventne struje uvijek birajte stazu s najmanjom impedancijom (najnižom induktivnošću) i izravno ispod signala, tako da će povratna struja teći kroz susjedni sloj strujnog kruga, bez obzira na to je li susjedni sloj energetski sloj ili sloj zemlje .

U stvarnom radu općenito je sklon koristiti objedinjeno uzemljenje, te podijeliti PCB na analogni dio i digitalni dio. Analogni signal se usmjerava u analogno područje svih slojeva sklopne ploče, a digitalni signal se usmjerava u područje digitalnog kruga. U tom slučaju povratna struja digitalnog signala neće teći u masu analognog signala.

Samo kada je digitalni signal ožičen na analognom dijelu ploče ili je analogni signal ožičen na digitalnom dijelu pločice, pojavit će se smetnja digitalnog signala na analogni signal. Ovakav problem se ne javlja jer nema podijeljenog tla, pravi razlog je nepravilno ožičenje digitalnog signala.

Dizajn PCB-a prihvaća objedinjenu masu, putem podjele digitalnog i analognog kruga i odgovarajućeg signalnog ožičenja, obično može riješiti neke teže probleme s rasporedom i ožičenjem, a u isto vrijeme neće uzrokovati neke potencijalne probleme uzrokovane podjelom uzemljenja. U ovom slučaju, raspored i particioniranje komponenti postaje ključ za određivanje prednosti i nedostataka dizajna. Ako je raspored razuman, digitalna struja uzemljenja bit će ograničena na digitalni dio ploče i neće ometati analogni signal. Takvo ožičenje mora se pažljivo pregledati i provjeriti kako bi se osiguralo 100% poštivanje pravila ožičenja. U suprotnom, nepravilno usmjeravanje signalne linije će potpuno uništiti inače vrlo dobru ploču.

Prilikom povezivanja analognog uzemljenja i digitalnog uzemljenja A/D pretvarača zajedno, većina proizvođača A/D pretvarača predlaže: Povežite pinove AGND i DGND na isto uzemljenje niske impedancije kroz najkraći kabel. (Napomena: Budući da većina čipova A/D pretvarača ne povezuje analogno i digitalno uzemljenje zajedno, analogno i digitalno uzemljenje moraju biti spojene preko vanjskih pinova.) Svaka vanjska impedancija spojena na DGND proći će parazitski kapacitet. Više digitalnog šuma je povezano s analognim krugovima unutar IC-a. Prema ovoj preporuci, morate spojiti pinove AGND i DGND A/D pretvarača na analognu masu, ali ova metoda će uzrokovati probleme kao što je treba li terminal uzemljenja kondenzatora za odvajanje digitalnog signala biti spojen na analognu masu ili digitalno tlo.

Kako postići dizajn particija PCB-a s mješovitim signalom

Ako sustav ima samo jedan A/D pretvarač, gore navedeni problemi se lako mogu riješiti. Kao što je prikazano na slici 3, podijelite uzemljenje i spojite analogno uzemljenje i digitalno uzemljenje zajedno ispod A/D pretvarača. Prilikom usvajanja ove metode potrebno je osigurati da širina spojnog mosta između dva uzemljenja bude jednaka širini IC-a, te da bilo koja signalna linija ne može prijeći razdjelni razmak.

Ako u sustavu postoji mnogo A/D pretvarača, na primjer, kako spojiti 10 A/D pretvarača? Ako se analogno uzemljenje i digitalno uzemljenje spoje zajedno ispod svakog A/D pretvarača, generira se veza s više točaka, a izolacija između analognog uzemljenja i digitalnog uzemljenja je besmislena. Ako se ne povežete na ovaj način, to krši zahtjeve proizvođača.