Bagaimana mencapai desain partisi PCB sinyal campuran?

Abstrak: Perancangan rangkaian sinyal campuran PCB sangat rumit. Tata letak dan pengkabelan komponen dan pemrosesan catu daya dan kabel arde akan secara langsung memengaruhi kinerja sirkuit dan kinerja kompatibilitas elektromagnetik. Desain partisi arde dan daya yang diperkenalkan dalam artikel ini dapat mengoptimalkan kinerja sirkuit sinyal campuran.

ipcb

Bagaimana cara mengurangi interferensi timbal balik antara sinyal digital dan sinyal analog? Sebelum merancang, kita harus memahami dua prinsip dasar kompatibilitas elektromagnetik (EMC): Prinsip pertama adalah meminimalkan luas loop arus; prinsip kedua adalah bahwa sistem hanya menggunakan satu permukaan referensi. Sebaliknya, jika sistem memiliki dua bidang referensi, dimungkinkan untuk membentuk antena dipol (Catatan: ukuran radiasi antena dipol kecil sebanding dengan panjang saluran, jumlah arus yang mengalir, dan frekuensi); dan jika sinyal tidak dapat melewati sebanyak mungkin Pengembalian loop kecil dapat membentuk antena loop besar (Catatan: ukuran radiasi antena loop kecil sebanding dengan luas loop, arus yang mengalir melalui loop, dan kuadrat dari frekuensi). Hindari dua situasi ini sebanyak mungkin dalam desain.

Disarankan untuk memisahkan arde digital dan arde analog pada papan sirkuit sinyal campuran, sehingga isolasi antara arde digital dan arde analog dapat dicapai. Meskipun metode ini layak, ada banyak masalah potensial, terutama dalam sistem skala besar yang kompleks. Masalah yang paling kritis adalah bahwa hal itu tidak dapat diarahkan melintasi kesenjangan divisi. Setelah kesenjangan pembagian dialihkan, radiasi elektromagnetik dan crosstalk sinyal akan meningkat tajam. Masalah paling umum dalam desain PCB adalah bahwa garis sinyal melintasi tanah atau catu daya yang terbagi dan menghasilkan masalah EMI.

Bagaimana mencapai desain partisi PCB sinyal campuran

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, kami menggunakan metode pembagian yang disebutkan di atas, dan garis sinyal melintasi celah antara dua landasan. Apa jalur kembalinya arus sinyal? Dengan asumsi bahwa kedua arde yang dibagi tersebut terhubung bersama di suatu tempat (biasanya koneksi titik tunggal di lokasi tertentu), dalam hal ini arus arde akan membentuk loop besar. Arus frekuensi tinggi yang mengalir melalui loop besar menghasilkan radiasi dan induktansi tanah yang tinggi. Jika arus analog tingkat rendah mengalir melalui loop besar, arus mudah terganggu oleh sinyal eksternal. Hal terburuknya adalah ketika arde yang dibagi dihubungkan bersama di catu daya, loop arus yang sangat besar akan terbentuk. Selain itu, ground analog dan ground digital dihubungkan dengan kabel panjang untuk membentuk antena dipol.

Memahami jalur dan metode arus kembali ke ground adalah kunci untuk mengoptimalkan desain papan sirkuit sinyal campuran. Banyak insinyur desain hanya mempertimbangkan di mana arus sinyal mengalir, dan mengabaikan jalur spesifik arus. Jika lapisan tanah harus dibagi, dan kabel harus dirutekan melalui celah di antara divisi, koneksi titik tunggal dapat dibuat antara tanah yang dibagi untuk membentuk jembatan penghubung antara dua tanah, dan kemudian kabel melalui jembatan koneksi . Dengan cara ini, jalur balik arus searah dapat disediakan di bawah setiap garis sinyal, sehingga area loop yang terbentuk kecil.

Penggunaan perangkat isolasi optik atau transformator juga dapat mencapai sinyal melintasi celah segmentasi. Untuk yang pertama, itu adalah sinyal optik yang melintasi celah segmentasi; dalam kasus transformator, itu adalah medan magnet yang melintasi celah segmentasi. Metode lain yang layak adalah dengan menggunakan sinyal diferensial: sinyal mengalir dari satu jalur dan kembali dari jalur sinyal lain. Dalam hal ini, tanah tidak diperlukan sebagai jalur balik.

Untuk mendalami interferensi sinyal digital ke sinyal analog, pertama-tama kita harus memahami karakteristik arus frekuensi tinggi. Untuk arus frekuensi tinggi, selalu pilih jalur dengan impedansi terkecil (induktansi terendah) dan langsung di bawah sinyal, sehingga arus balik akan mengalir melalui lapisan sirkuit yang berdekatan, terlepas dari apakah lapisan yang berdekatan adalah lapisan daya atau lapisan tanah. .

Dalam pekerjaan sebenarnya, umumnya cenderung menggunakan ground terpadu, dan membagi PCB menjadi bagian analog dan bagian digital. Sinyal analog dirutekan di area analog dari semua lapisan papan sirkuit, dan sinyal digital dirutekan di area sirkuit digital. Dalam hal ini, arus balik sinyal digital tidak akan mengalir ke ground sinyal analog.

Hanya ketika sinyal digital disambungkan ke bagian analog papan sirkuit atau sinyal analog disambungkan ke bagian digital papan sirkuit, interferensi sinyal digital ke sinyal analog akan muncul. Masalah semacam ini tidak terjadi karena tidak ada ground yang terbagi, alasan sebenarnya adalah kabel sinyal digital yang tidak tepat.

Desain PCB mengadopsi ground terpadu, melalui sirkuit digital dan partisi sirkuit analog dan kabel sinyal yang sesuai, biasanya dapat memecahkan beberapa masalah tata letak dan kabel yang lebih sulit, dan pada saat yang sama, itu tidak akan menyebabkan beberapa masalah potensial yang disebabkan oleh pembagian tanah. Dalam hal ini, tata letak dan partisi komponen menjadi kunci untuk menentukan pro dan kontra dari desain. Jika tata letaknya masuk akal, arus ground digital akan terbatas pada bagian digital papan sirkuit dan tidak akan mengganggu sinyal analog. Kabel tersebut harus diperiksa dan diverifikasi dengan hati-hati untuk memastikan bahwa aturan kabel 100% dipatuhi. Jika tidak, perutean jalur sinyal yang tidak tepat akan benar-benar menghancurkan papan sirkuit yang sangat bagus.

Saat menghubungkan arde analog dan pin arde digital dari konverter A/D secara bersamaan, sebagian besar produsen konverter A/D akan menyarankan: Hubungkan pin AGND dan DGND ke arde impedansi rendah yang sama melalui kabel terpendek. (Catatan: Karena sebagian besar chip konverter A/D tidak menghubungkan arde analog dan arde digital secara bersamaan, arde analog dan digital harus dihubungkan melalui pin eksternal.) Setiap impedansi eksternal yang terhubung ke DGND akan melewati kapasitansi parasit. Lebih banyak noise digital digabungkan ke sirkuit analog di dalam IC. Menurut rekomendasi ini, Anda perlu menghubungkan pin AGND dan DGND dari konverter A/D ke ground analog, tetapi metode ini akan menimbulkan masalah seperti apakah terminal ground dari kapasitor decoupling sinyal digital harus dihubungkan ke ground analog. atau tanah digital.

Bagaimana mencapai desain partisi PCB sinyal campuran

Jika sistem hanya memiliki satu konverter A/D, masalah di atas dapat diselesaikan dengan mudah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, bagilah arde, dan sambungkan arde analog dan arde digital bersama-sama di bawah konverter A/D. Saat mengadopsi metode ini, perlu untuk memastikan bahwa lebar jembatan penghubung antara dua landasan sama dengan lebar IC, dan garis sinyal apa pun tidak dapat melewati celah pembagian.

Jika ada banyak A/D converter dalam sistem, misalnya, bagaimana menghubungkan 10 A/D converter? Jika arde analog dan arde digital dihubungkan bersama di bawah setiap konverter A/D, koneksi multi-titik dihasilkan, dan isolasi antara arde analog dan arde digital tidak ada artinya. Jika Anda tidak terhubung dengan cara ini, itu melanggar persyaratan pabrikan.