Riassunto: La progettazione del circuito a segnale misto PCB è molto complicato. La disposizione e il cablaggio dei componenti e l’elaborazione dell’alimentazione e del filo di terra influenzeranno direttamente le prestazioni del circuito e le prestazioni di compatibilità elettromagnetica. La progettazione della partizione di terra e alimentazione introdotta in questo articolo può ottimizzare le prestazioni dei circuiti a segnale misto.

Come ridurre l’interferenza reciproca tra segnale digitale e segnale analogico? Prima di progettare, dobbiamo comprendere i due principi base della compatibilità elettromagnetica (EMC): Il primo principio è ridurre al minimo l’area dell’anello di corrente; il secondo principio è che il sistema utilizza una sola superficie di riferimento. Se invece il sistema ha due piani di riferimento, è possibile realizzare un’antenna a dipolo (Nota: l’ampiezza di radiazione di una piccola antenna a dipolo è proporzionale alla lunghezza della linea, alla quantità di corrente che scorre e alla frequenza); e se il segnale non può passare il più possibile Il ritorno di un piccolo anello può formare un’antenna a telaio grande (Nota: la dimensione della radiazione di un’antenna a telaio piccola è proporzionale all’area del loop, alla corrente che scorre attraverso il loop e al quadrato della frequenza). Evita il più possibile queste due situazioni nella progettazione.

Si consiglia di separare la massa digitale e la massa analogica sulla scheda a segnali misti, in modo da ottenere l’isolamento tra la massa digitale e la massa analogica. Sebbene questo metodo sia fattibile, ci sono molti potenziali problemi, specialmente in sistemi complessi su larga scala. Il problema più critico è che non può essere instradato attraverso il divario di divisione. Una volta instradato il gap di divisione, la radiazione elettromagnetica e la diafonia del segnale aumenteranno notevolmente. Il problema più comune nella progettazione del PCB è che la linea del segnale attraversa la terra divisa o l’alimentazione e genera problemi EMI.

Come ottenere la progettazione della partizione di PCB a segnale misto

Come mostrato nella Figura 1, utilizziamo il metodo di divisione sopra menzionato e la linea di segnale attraversa lo spazio tra i due terreni. Qual è il percorso di ritorno della corrente del segnale? Supponendo che le due masse che sono divise siano collegate insieme da qualche parte (di solito una connessione a punto singolo in una certa posizione), in questo caso, la corrente di terra formerà un grande anello. La corrente ad alta frequenza che scorre attraverso l’anello grande genera radiazioni e un’elevata induttanza di terra. Se la corrente analogica di basso livello scorre attraverso l’anello grande, la corrente viene facilmente disturbata da segnali esterni. La cosa peggiore è che quando le masse divise sono collegate insieme all’alimentatore, si formerà un circuito di corrente molto grande. Inoltre, la terra analogica e la terra digitale sono collegate da un lungo filo per formare un’antenna a dipolo.

Comprendere il percorso e il metodo di ritorno della corrente a terra è la chiave per ottimizzare la progettazione di circuiti stampati a segnale misto. Molti progettisti considerano solo dove scorre la corrente del segnale e ignorano il percorso specifico della corrente. Se lo strato di terra deve essere diviso e il cablaggio deve essere instradato attraverso lo spazio tra le divisioni, è possibile effettuare una connessione a punto singolo tra le terre divise per formare un ponte di connessione tra le due terre e quindi il cablaggio attraverso il ponte di connessione . In questo modo è possibile prevedere un percorso di ritorno in corrente continua sotto ciascuna linea di segnale, in modo che l’area dell’anello formata sia piccola.

L’uso di dispositivi di isolamento ottico o trasformatori può anche raggiungere il segnale attraverso il gap di segmentazione. Per il primo, è il segnale ottico che attraversa il gap di segmentazione; nel caso di un trasformatore, è il campo magnetico che attraversa il gap di segmentazione. Un altro metodo fattibile è quello di utilizzare segnali differenziali: il segnale entra da una linea e ritorna da un’altra linea di segnale. In questo caso, il terreno non è necessario come percorso di ritorno.

Per esplorare a fondo l’interferenza dei segnali digitali con i segnali analogici, dobbiamo prima comprendere le caratteristiche delle correnti ad alta frequenza. Per le correnti ad alta frequenza, scegliere sempre il percorso con la minore impedenza (induttanza più bassa) e direttamente al di sotto del segnale, in modo che la corrente di ritorno fluisca attraverso lo strato del circuito adiacente, indipendentemente dal fatto che lo strato adiacente sia lo strato di potenza o lo strato di terra .

Nel lavoro reale, è generalmente propenso a utilizzare una massa unificata e dividere il PCB in una parte analogica e una digitale. Il segnale analogico viene instradato nell’area analogica di tutti gli strati del circuito e il segnale digitale viene instradato nell’area del circuito digitale. In questo caso, la corrente di ritorno del segnale digitale non fluirà nella massa del segnale analogico.

Solo quando il segnale digitale è cablato sulla parte analogica del circuito o il segnale analogico è cablato sulla parte digitale del circuito, apparirà l’interferenza del segnale digitale con il segnale analogico. Questo tipo di problema non si verifica perché non c’è massa divisa, il vero motivo è il cablaggio improprio del segnale digitale.

Il design del PCB adotta la messa a terra unificata, attraverso il circuito digitale e la partizione del circuito analogico e il cablaggio del segnale appropriato, di solito può risolvere alcuni problemi di layout e cablaggio più difficili e, allo stesso tempo, non causerà alcuni potenziali problemi causati dalla divisione di terra. In questo caso, la disposizione e la suddivisione dei componenti diventa la chiave per determinare i pro ei contro del progetto. Se il layout è ragionevole, la corrente di terra digitale sarà limitata alla parte digitale del circuito e non interferirà con il segnale analogico. Tale cablaggio deve essere attentamente ispezionato e verificato per garantire che le regole di cablaggio siano rispettate al 100%. Altrimenti, un instradamento improprio di una linea di segnale distruggerà completamente un circuito stampato altrimenti molto buono.

Quando si collegano insieme i pin di terra analogica e digitale del convertitore A/D, la maggior parte dei produttori di convertitori A/D suggerisce: Collegare i pin AGND e DGND alla stessa terra a bassa impedenza attraverso il cavo più corto. (Nota: poiché la maggior parte dei chip del convertitore A/D non collega la terra analogica e la terra digitale insieme, la terra analogica e digitale deve essere collegata tramite pin esterni.) Qualsiasi impedenza esterna collegata a DGND passerà la capacità parassita. Più rumore digitale è accoppiato ai circuiti analogici all’interno dell’IC. Secondo questa raccomandazione, è necessario collegare i pin AGND e DGND del convertitore A/D alla terra analogica, ma questo metodo causerà problemi come se il terminale di terra del condensatore di disaccoppiamento del segnale digitale debba essere collegato alla terra analogica o il terreno digitale.

Come ottenere la progettazione della partizione di PCB a segnale misto

Se il sistema ha un solo convertitore A/D, i problemi di cui sopra possono essere facilmente risolti. Come mostrato nella Figura 3, dividere la massa e collegare la massa analogica e la massa digitale sotto il convertitore A/D. Quando si adotta questo metodo, è necessario assicurarsi che la larghezza del ponte di collegamento tra le due masse sia uguale alla larghezza dell’IC e che qualsiasi linea di segnale non possa attraversare il gap di divisione.

Se ci sono molti convertitori A/D nel sistema, ad esempio, come collegare 10 convertitori A/D? Se la massa analogica e la massa digitale sono collegate insieme sotto ciascun convertitore A/D, viene generata una connessione multipunto e l’isolamento tra la massa analogica e la massa digitale è privo di significato. Se non ti connetti in questo modo, viola i requisiti del produttore.