PCB dizajn kruga mješovitog signala je vrlo kompliciran. 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 radu može optimizirati performanse krugova s ​​mješovitim signalom.

Kako smanjiti smetnje između digitalnih i analognih signala? Prije projektiranja moraju se razumjeti dva osnovna principa elektromagnetske kompatibilnosti (EMC): prvi princip je minimizirati područje strujne petlje; Drugi princip je da sustav koristi samo jednu referentnu ravninu. Naprotiv, ako sustav ima dvije referentne ravnine, moguće je formirati dipolnu antenu (napomena: zračenje male dipolne antene proporcionalno je duljini linije, količini struje koja teče i frekvenciji). Ako se signal ne vrati kroz najmanju moguću petlju, može se formirati velika kružna antena. Izbjegavajte oboje u svom dizajnu što je više moguće.

Predloženo je odvojiti digitalno uzemljenje i analogno uzemljenje na ploči s mješovitim signalom kako bi se postigla izolacija između digitalnog uzemljenja i analognog uzemljenja. Iako je ovaj pristup izvediv, ima mnogo potencijalnih problema, osobito u velikim i složenim sustavima. Najkritičniji problem je ne prijeći ožičenje razmaka u particiji, nakon što prijeđete ožičenje razmaka u particiji, elektromagnetsko zračenje i preslušavanje signala će se dramatično povećati. Najčešći problem u dizajnu PCB-a je EMI problem uzrokovan signalnom linijom koja prelazi uzemljenje ili napajanje.

Kao što je prikazano na slici 1, koristimo gornju metodu segmentacije, a signalna linija proteže se kroz jaz između dva tla, koliki je povratni put signalne struje? Pretpostavimo da su dvije podijeljene zemlje povezane u nekoj točki (obično jedna točka u jednoj točki), u kojem slučaju će struja zemlje formirati veliku petlju. Struja visoke frekvencije koja teče kroz veliku petlju će generirati zračenje i visoku induktivnost tla. Ako je analognu struju niske razine koja teče kroz veliku petlju lako ometati vanjski signali. Najgore je što kada se sekcije spoje zajedno na izvoru napajanja, nastaje vrlo velika strujna petlja. Osim toga, analogno i digitalno uzemljenje spojeno dugom žicom tvore dipolnu antenu.

Razumijevanje puta i načina povratnog toka struje u zemlju ključ je za optimizaciju dizajna ploče s mješovitim signalom. Mnogi dizajneri razmatraju samo gdje struja signala teče, zanemarujući specifičan put struje. Ako se sloj zemlje mora pregraditi i mora se provući kroz razmak između pregrada, može se napraviti veza u jednoj točki između pregrađenog tla kako bi se formirao vezni most između dva sloja zemlje, a zatim se usmjerio kroz spojni most. Na taj se način može osigurati put povratnog toka istosmjerne struje ispod svake signalne linije, što rezultira malim područjem petlje.

Optički izolacijski uređaji ili transformatori također se mogu koristiti za realizaciju signala koji prelazi segmentacijski jaz. Za prve, optički signal obuhvaća segmentacijski jaz. U slučaju transformatora, magnetsko polje pokriva pregradni razmak. Mogući su i diferencijalni signali: signali ulaze iz jedne linije i vraćaju se iz druge, u tom slučaju se nepotrebno koriste kao povratni putevi.

Da bismo istražili interferenciju digitalnog signala s analognim signalom, prvo moramo razumjeti karakteristike struje visoke frekvencije. Visokofrekventna struja uvijek bira put s najnižom impedancijom (induktivitetom) neposredno ispod signala, pa će povratna struja teći kroz susjedni sloj strujnog kruga, bez obzira na to je li susjedni sloj sloj napajanja ili sloj zemlje.

U praksi je općenito poželjnije koristiti ujednačenu PCB particiju na analogne i digitalne dijelove. Analogni signali se usmjeravaju u analogno područje svih slojeva ploče, dok se digitalni signali usmjeravaju u područje digitalnog kruga. U tom slučaju povratna struja digitalnog signala ne teče u masu analognog signala.

Smetnje iz digitalnih signala u analogne signale nastaju samo kada se digitalni signali usmjeravaju preko ili se analogni signali usmjeravaju preko digitalnih dijelova ploče. Ovaj problem nije zbog nedostatka segmentacije, pravi razlog je nepravilno ožičenje digitalnih signala.

Dizajn PCB-a koristi objedinjenu, kroz particiju digitalnog i analognog kruga i odgovarajuće signalno ožičenje, obično može riješiti neke od težih problema s rasporedom i ožičenjem, ali također nema potencijalnih problema uzrokovanih segmentacijom tla. U tom slučaju, raspored i particioniranje komponenti postaje kritičan u određivanju kvalitete dizajna. Ako je pravilno postavljena, digitalna struja uzemljenja bit će ograničena na digitalni dio ploče i neće ometati analogni signal. Takvo ožičenje mora se pažljivo provjeriti i provjeriti kako bi se osigurala 100% usklađenost s pravilima ožičenja. Inače će neispravna signalna linija potpuno uništiti vrlo dobru ploču.

Prilikom povezivanja analognih i digitalnih uzemljenja A/D pretvarača, većina proizvođača A/D pretvarača preporučuje spajanje AGND i DGND pinova na isto uzemljenje niske impedancije korištenjem najkraćih vodova (Napomena: Budući da većina čipova A/D pretvarača interno ne povezuje analogno i digitalno uzemljenje, analogno i digitalno uzemljenje moraju biti spojene preko vanjskih pinova), svaka vanjska impedancija spojena na DGND spojit će više digitalnog šuma s analognim krugom unutar IC-a putem parazita kapacitet. Slijedeći ovu preporuku, i pinovi A/D pretvarača AGND i DGND moraju biti spojeni na analogno uzemljenje, ali ovaj pristup postavlja pitanja kao što je treba li kraj uzemljenja kondenzatora za razdvajanje digitalnog signala biti spojen na analogno ili digitalno uzemljenje.

Ako sustav ima samo jedan A/D pretvarač, gornji se problem može lako riješiti. Kao što je prikazano na slici 3, uzemljenje je podijeljeno, a analogni i digitalni dio uzemljenja spojeni su zajedno ispod A/D pretvarača. Kada se usvoji ova metoda, potrebno je osigurati da širina mosta između dva mjesta bude jednaka širini IC-a, te da nijedna signalna linija ne može prijeći pregradni jaz.

Ako sustav ima mnogo A/D pretvarača, na primjer, 10 A/D pretvarača, kako spojiti? Ako se analogno i digitalno uzemljenje spoje ispod svakog A/D pretvarača, rezultirat će višestruka veza, a izolacija između analognog i digitalnog uzemljenja bit će besmislena. Ako to ne učinite, kršite zahtjeve proizvođača.

Najbolji način je početi s uniformom. Kao što je prikazano na slici 4, tlo je jednoliko podijeljeno na analogni i digitalni dio. Ovaj raspored ne samo da zadovoljava zahtjeve proizvođača IC uređaja za nisku impedanciju spajanja analognih i digitalnih pinova uzemljenja, već i izbjegava EMC probleme uzrokovane okvirnom antenom ili dipolnom antenom.

Ako sumnjate u jedinstveni pristup dizajnu PCB-a s mješovitim signalom, možete koristiti metodu particije sloja zemlje za postavljanje i usmjeravanje cijele ploče. U dizajnu treba obratiti pozornost na to da se pločica lako poveže s kratkospojnicima ili otpornicima od 0 ohma koji su međusobno udaljeni manje od 1/2 inča u kasnijem eksperimentu. Obratite pozornost na zoniranje i ožičenje kako biste osigurali da nema digitalnih signalnih linija iznad analognog dijela na svim slojevima i da nema analognih signalnih linija iznad digitalnog dijela. Štoviše, nijedna signalna linija ne smije prelaziti prazninu u zemlji ili dijeliti jaz između izvora napajanja. Da biste testirali funkciju ploče i EMC performanse, ponovno testirajte funkciju ploče i EMC performanse spajanjem dva kata zajedno preko 0 ohma otpornika ili kratkospojnika. Uspoređujući rezultate ispitivanja, ustanovljeno je da je u gotovo svim slučajevima objedinjeno rješenje bilo superiornije u pogledu funkcionalnosti i EMC performansi u odnosu na podijeljeno rješenje.

Radi li i dalje metoda podjele zemljišta?

Ovaj se pristup može koristiti u tri situacije: neki medicinski uređaji zahtijevaju vrlo nisku struju propuštanja između strujnih krugova i sustava povezanih s pacijentom; Izlaz neke opreme za upravljanje industrijskim procesima može biti spojen na bučnu elektromehaničku opremu velike snage; Drugi slučaj je kada je IZGLED PCB-a podložan određenim ograničenjima.

Obično postoje odvojena digitalna i analogna napajanja na PCB ploči s mješovitim signalom koja može i treba imati podijeljeno lice napajanja. Međutim, signalne linije u susjedstvu sloja napajanja ne mogu prijeći jaz između izvora napajanja, a svi signalni vodovi koji prelaze prazninu moraju se nalaziti na sloju strujnog kruga koji je u blizini velikog područja. U nekim slučajevima, analogno napajanje može biti dizajnirano s PCB vezama, a ne s jednim licem kako bi se izbjeglo cijepanje površine napajanja.

Dizajn particija PCB-a s miješanim signalom

Dizajn PCB-a s mješovitim signalom je složen proces, proces dizajna treba obratiti pozornost na sljedeće točke:

1. Podijelite PCB na zasebne analogne i digitalne dijelove.

2. Pravilan raspored komponenti.

3. A/D pretvarač je postavljen preko particija.

4. Nemojte dijeliti zemlju. Analogni dio i digitalni dio ploče postavljeni su jednoliko.

5. U svim slojevima ploče digitalni signal se može usmjeriti samo u digitalni dio ploče.

6. U svim slojevima ploče analogni signali se mogu usmjeriti samo u analogni dio ploče.

7. Analogno i digitalno razdvajanje snage.

8. Ožičenje ne smije obuhvaćati jaz između podijeljenih površina napajanja.

9. Signalne linije koje moraju proći kroz jaz između podijeljenih izvora napajanja trebale bi biti smještene na sloju ožičenja u blizini velikog područja.

10. Analizirati stvarni put i način toka struje zemlje.

11. Koristite ispravna pravila ožičenja.