PCB desain sirkuit sinyal campuran 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 ground dan catu daya yang diperkenalkan dalam makalah ini dapat mengoptimalkan kinerja sirkuit sinyal campuran.

Bagaimana cara mengurangi interferensi antara sinyal digital dan analog? Dua prinsip dasar kompatibilitas elektromagnetik (EMC) harus dipahami sebelum desain: prinsip pertama adalah meminimalkan area loop arus; Prinsip kedua adalah bahwa sistem hanya menggunakan satu bidang referensi. Sebaliknya, jika sistem memiliki dua bidang referensi, dimungkinkan untuk membentuk antena dipol (catatan: radiasi antena dipol kecil sebanding dengan panjang saluran, jumlah arus yang mengalir, dan frekuensi). Jika sinyal tidak kembali melalui loop sekecil mungkin, antena melingkar besar dapat dibentuk. Hindari keduanya dalam desain Anda sebanyak mungkin.

Disarankan untuk memisahkan arde digital dan arde analog pada papan sirkuit sinyal campuran untuk mencapai isolasi antara arde digital dan arde analog. Meskipun pendekatan ini layak, pendekatan ini memiliki banyak masalah potensial, terutama dalam sistem yang besar dan kompleks. Masalah yang paling kritis adalah tidak melintasi kabel celah partisi, setelah melintasi kabel celah partisi, radiasi elektromagnetik dan crosstalk sinyal akan meningkat secara dramatis. Masalah paling umum dalam desain PCB adalah masalah EMI yang disebabkan oleh garis sinyal yang melintasi tanah atau catu daya.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, kami menggunakan metode segmentasi di atas, dan garis sinyal mencakup celah antara dua tanah, apa jalur kembalinya arus sinyal? Misalkan dua tanah yang dipartisi terhubung di beberapa titik (biasanya satu titik di satu titik), dalam hal ini arus bumi akan membentuk loop besar. Arus frekuensi tinggi yang mengalir melalui loop besar akan menghasilkan radiasi dan induktansi tanah yang tinggi. Jika arus analog level rendah yang mengalir melalui loop besar mudah terganggu oleh sinyal eksternal. Yang terburuk adalah ketika bagian-bagian itu dihubungkan bersama di sumber daya, loop arus yang sangat besar terbentuk. Selain itu, ground analog dan digital dihubungkan oleh kabel panjang membentuk antena dipol.

Memahami jalur dan mode arus balik ke ground adalah kunci untuk mengoptimalkan desain papan sirkuit sinyal campuran. Banyak insinyur desain hanya mempertimbangkan di mana arus sinyal mengalir, mengabaikan jalur spesifik arus. Jika lapisan arde harus dipartisi dan harus dirutekan melalui celah antar sekat, maka sambungan titik tunggal dapat dibuat antara arde yang dipartisi untuk membentuk jembatan penghubung antara dua lapisan arde dan kemudian dirutekan melalui jembatan penghubung. Dengan cara ini, jalur arus balik arus searah dapat disediakan di bawah setiap garis sinyal, menghasilkan area loop kecil.

Perangkat isolasi optik atau transformator juga dapat digunakan untuk mewujudkan sinyal yang melintasi celah segmentasi. Untuk yang pertama, itu adalah sinyal optik yang mencakup celah segmentasi. Dalam kasus transformator, medan magnet yang merentang celah partisi. Sinyal diferensial juga dimungkinkan: sinyal mengalir masuk dari satu jalur dan kembali dari jalur lainnya, dalam hal ini sinyal tersebut digunakan sebagai jalur arus balik yang tidak perlu.

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

Dalam praktiknya, umumnya lebih disukai untuk menggunakan partisi PCB yang seragam menjadi bagian analog dan digital. Sinyal analog dirutekan di wilayah analog dari semua lapisan papan, sedangkan sinyal digital dirutekan di wilayah sirkuit digital. Dalam hal ini, arus balik sinyal digital tidak mengalir ke ground sinyal analog.

Interferensi dari sinyal digital ke sinyal analog hanya terjadi ketika sinyal digital dirutekan atau sinyal analog dirutekan melalui bagian digital papan sirkuit. Masalah ini bukan karena kurangnya segmentasi, alasan sebenarnya adalah kabel sinyal digital yang tidak tepat.

Desain PCB menggunakan terpadu, melalui sirkuit digital dan partisi sirkuit analog dan kabel sinyal yang sesuai, biasanya dapat memecahkan beberapa tata letak yang lebih sulit dan masalah kabel, tetapi juga tidak memiliki beberapa masalah potensial yang disebabkan oleh segmentasi tanah. Dalam hal ini, tata letak dan partisi komponen menjadi penting dalam menentukan kualitas desain. Jika ditata dengan benar, arus ground digital akan terbatas pada bagian digital papan dan tidak akan mengganggu sinyal analog. Kabel tersebut harus diperiksa dan diperiksa dengan hati-hati untuk memastikan kepatuhan 100% dengan aturan kabel. Jika tidak, jalur sinyal yang tidak tepat akan benar-benar menghancurkan papan sirkuit yang sangat bagus.

Saat menghubungkan pin ground analog dan digital dari konverter A/D secara bersamaan, sebagian besar produsen konverter A/D merekomendasikan untuk menghubungkan pin AGND dan DGND ke ground impedansi rendah yang sama menggunakan kabel terpendek (Catatan: Karena sebagian besar chip konverter A/D tidak menghubungkan ground analog dan digital bersama-sama secara internal, ground analog dan digital harus terhubung melalui pin eksternal), setiap impedansi eksternal yang terhubung ke DGND akan memasangkan lebih banyak noise digital ke sirkuit analog di dalam IC melalui parasitic kapasitansi. Mengikuti rekomendasi ini, baik pin AGND dan DGND konverter A/D perlu dihubungkan ke ground analog, tetapi pendekatan ini menimbulkan pertanyaan seperti apakah ujung ground dari kapasitor decoupling sinyal digital harus dihubungkan ke ground analog atau digital.

Jika sistem hanya memiliki satu konverter A/D, masalah di atas dapat diselesaikan dengan mudah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, arde dibagi dan bagian arde analog dan digital dihubungkan bersama di bawah konverter A/D. Ketika metode ini diadopsi, perlu untuk memastikan bahwa lebar jembatan antara dua situs sama dengan lebar IC, dan tidak ada garis sinyal yang dapat melewati celah partisi.

Jika sistem memiliki banyak konverter A/D, misalnya, 10 konverter A/D, bagaimana cara menghubungkannya? Jika arde analog dan digital terhubung di bawah setiap konverter A/D, koneksi multipoint akan dihasilkan, dan isolasi antara arde analog dan digital tidak akan ada artinya. Jika tidak, Anda melanggar persyaratan pabrikan.

Cara terbaik adalah memulai dengan seragam. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, tanah secara seragam dibagi menjadi bagian analog dan digital. Tata letak ini tidak hanya memenuhi persyaratan produsen perangkat IC untuk koneksi impedansi rendah dari pin ground analog dan digital, tetapi juga menghindari masalah EMC yang disebabkan oleh antena loop atau antena dipol.

Jika Anda ragu tentang pendekatan terpadu dari desain PCB sinyal campuran, Anda dapat menggunakan metode partisi lapisan tanah untuk meletakkan dan merutekan seluruh papan sirkuit. Dalam desain, perhatian harus diberikan untuk membuat papan sirkuit mudah dihubungkan bersama dengan jumper atau resistor 0 ohm yang berjarak kurang dari 1/2 inci pada percobaan selanjutnya. Perhatikan zonasi dan perkabelan untuk memastikan bahwa tidak ada jalur sinyal digital yang berada di atas bagian analog pada semua lapisan dan tidak ada jalur sinyal analog yang berada di atas bagian digital. Selain itu, tidak ada garis sinyal yang melintasi celah tanah atau membagi celah di antara sumber daya. Untuk menguji fungsi papan dan kinerja EMC, uji ulang fungsi papan dan kinerja EMC dengan menghubungkan dua lantai bersama-sama melalui resistor atau jumper 0 ohm. Membandingkan hasil pengujian, ditemukan bahwa di hampir semua kasus, solusi terpadu lebih unggul dalam hal fungsionalitas dan kinerja EMC dibandingkan dengan solusi terpisah.

Apakah metode pembagian tanah masih berfungsi?

Pendekatan ini dapat digunakan dalam tiga situasi: beberapa perangkat medis memerlukan arus bocor yang sangat rendah antara sirkuit dan sistem yang terhubung ke pasien; Output dari beberapa peralatan kontrol proses industri dapat dihubungkan ke peralatan elektromekanis yang berisik dan berdaya tinggi; Kasus lain adalah ketika LAYOUT PCB tunduk pada batasan tertentu.

Biasanya ada catu daya digital dan analog yang terpisah pada papan PCB sinyal campuran yang dapat dan harus memiliki catu daya terpisah. Namun, garis sinyal yang berdekatan dengan lapisan catu daya tidak dapat melintasi celah antara catu daya, dan semua jalur sinyal yang melintasi celah harus ditempatkan pada lapisan sirkuit yang berdekatan dengan area yang luas. Dalam beberapa kasus, catu daya analog dapat dirancang dengan koneksi PCB daripada satu muka untuk menghindari pemisahan muka daya.

Desain partisi PCB sinyal campuran

Desain PCB sinyal campuran adalah proses yang kompleks, proses desain harus memperhatikan poin-poin berikut:

1. Bagilah PCB menjadi bagian analog dan digital yang terpisah.

2. Tata letak komponen yang tepat.

3. Konverter A/D ditempatkan di seluruh partisi.

4. Jangan membagi tanah. Bagian analog dan bagian digital dari papan sirkuit diletakkan secara seragam.

5. Di semua lapisan papan, sinyal digital hanya dapat dirutekan di bagian digital papan.

6. Di semua lapisan papan, sinyal analog hanya dapat dirutekan di bagian analog papan.

7. Pemisahan daya analog dan digital.

8. Pengkabelan tidak boleh menjangkau celah antara permukaan catu daya terpisah.

9. Jalur sinyal yang harus menjangkau celah antara catu daya split harus ditempatkan pada lapisan kabel yang berdekatan dengan area yang luas.

10. Menganalisis jalur aktual dan modus aliran arus bumi.

11. Gunakan aturan kabel yang benar.