PCB la progettazione del circuito del segnale misto è molto complicata. 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 massa e alimentazione introdotta in questo documento può ottimizzare le prestazioni dei circuiti a segnale misto.

Come ridurre l’interferenza tra segnali digitali e analogici? Prima della progettazione devono essere compresi due principi di 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 un solo piano di riferimento. Al contrario, se il sistema ha due piani di riferimento, è possibile formare un’antenna dipolo (nota: la radiazione di una piccola antenna dipolo è proporzionale alla lunghezza della linea, alla quantità di corrente che scorre e alla frequenza). Se il segnale non ritorna attraverso il loop più piccolo possibile, si può formare una grande antenna circolare. Evita entrambi nel tuo design il più possibile.

È stato suggerito di separare la massa digitale e la massa analogica sulla scheda del circuito a segnali misti per ottenere l’isolamento tra la massa digitale e la massa analogica. Sebbene questo approccio sia fattibile, presenta molti potenziali problemi, specialmente in sistemi grandi e complessi. Il problema più critico è non attraversare il cablaggio del gap della partizione, una volta attraversato il cablaggio del gap della partizione, la radiazione elettromagnetica e la diafonia del segnale aumenteranno notevolmente. Il problema più comune nella progettazione del PCB è il problema EMI causato dalla linea del segnale che attraversa la terra o l’alimentazione.

Come mostrato nella Figura 1, usiamo il metodo di segmentazione sopra e la linea del segnale copre lo spazio tra le due terre, qual è il percorso di ritorno della corrente del segnale? Supponiamo che le due terre partizionate siano collegate ad un certo punto (di solito un singolo punto in un punto), nel qual caso la corrente di terra formerà un grande anello. La corrente ad alta frequenza che scorre attraverso l’anello grande genererà radiazioni e un’elevata induttanza di terra. Se la corrente analogica di basso livello che scorre attraverso l’anello grande è facile che venga interferita da segnali esterni. La cosa peggiore è che quando le sezioni sono collegate insieme alla fonte di alimentazione, si forma un anello di corrente molto grande. Inoltre, la massa analogica e digitale collegata da un lungo filo forma un’antenna a dipolo.

Comprendere il percorso e la modalità del riflusso di corrente verso terra è la chiave per ottimizzare la progettazione di circuiti stampati a segnale misto. Molti progettisti considerano solo dove scorre la corrente del segnale, ignorando il percorso specifico della corrente. Se lo strato di terra deve essere diviso e deve essere instradato attraverso l’intercapedine tra le partizioni, è possibile realizzare un collegamento in un unico punto tra la terra partizionata per formare un ponte di connessione tra i due strati di terra e quindi instradato attraverso il ponte di connessione. In questo modo, è possibile fornire un percorso di riflusso di corrente continua al di sotto di ciascuna linea di segnale, risultando in una piccola area ad anello.

Possono essere utilizzati anche dispositivi di isolamento ottico o trasformatori per realizzare il segnale che attraversa il gap di segmentazione. Per il primo, è il segnale ottico che copre il gap di segmentazione. Nel caso di un trasformatore, è il campo magnetico che attraversa la fessura della partizione. Sono possibili anche segnali differenziali: i segnali entrano da una linea e ritornano dall’altra, nel qual caso vengono utilizzati come percorsi di riflusso inutilmente.

Per esplorare l’interferenza del segnale digitale rispetto al segnale analogico, dobbiamo prima comprendere le caratteristiche della corrente ad alta frequenza. La corrente ad alta frequenza sceglie sempre il percorso con l’impedenza più bassa (induttanza) direttamente sotto il segnale, quindi la corrente di ritorno scorrerà attraverso lo strato del circuito adiacente, indipendentemente dal fatto che lo strato adiacente sia lo strato di alimentazione o lo strato di terra.

In pratica, si preferisce generalmente utilizzare una partizione PCB uniforme in parti analogiche e digitali. I segnali analogici vengono instradati nella regione analogica di tutti gli strati della scheda, mentre i segnali digitali vengono instradati nella regione del circuito digitale. In questo caso, la corrente di ritorno del segnale digitale non fluisce nella massa del segnale analogico.

L’interferenza dai segnali digitali ai segnali analogici si verifica solo quando i segnali digitali vengono instradati o i segnali analogici vengono instradati sulle parti digitali del circuito. Questo problema non è dovuto alla mancanza di segmentazione, il vero motivo è il cablaggio improprio dei segnali digitali.

La progettazione PCB utilizza unificati, attraverso il circuito digitale e la partizione del circuito analogico e il cablaggio del segnale appropriato, di solito può risolvere alcuni dei problemi di layout e cablaggio più difficili, ma non presenta anche alcuni potenziali problemi causati dalla segmentazione del terreno. In questo caso, la disposizione e la suddivisione dei componenti diventa fondamentale nel determinare la qualità del progetto. Se correttamente posizionata, la corrente di terra digitale sarà limitata alla parte digitale della scheda e non interferirà con il segnale analogico. Tale cablaggio deve essere attentamente controllato e verificato per garantire il 100% di conformità alle regole di cablaggio. Altrimenti, una linea di segnale impropria distruggerà completamente un ottimo circuito.

Quando si collegano insieme i pin di terra analogici e digitali dei convertitori A/D, la maggior parte dei produttori di convertitori A/D consiglia di collegare i pin AGND e DGND alla stessa massa a bassa impedenza utilizzando i cavi più corti (Nota: Poiché la maggior parte dei chip del convertitore A/D non collega la massa analogica e digitale insieme internamente, la massa analogica e digitale deve essere collegata tramite pin esterni), qualsiasi impedenza esterna collegata a DGND accoppierà più rumore digitale al circuito analogico all’interno dell’IC tramite parassita capacità. Seguendo questa raccomandazione, entrambi i pin del convertitore A/D AGND e DGND devono essere collegati alla terra analogica, ma questo approccio solleva questioni come se l’estremità di terra del condensatore di disaccoppiamento del segnale digitale debba essere collegata alla terra analogica o digitale.

Se il sistema ha un solo convertitore A/D, il problema di cui sopra può essere facilmente risolto. Come mostrato nella Figura 3, la terra è divisa e le sezioni di terra analogica e digitale sono collegate insieme sotto il convertitore A/D. Quando si adotta questo metodo, è necessario assicurarsi che la larghezza del ponte tra i due siti sia uguale alla larghezza dell’IC e che nessuna linea di segnale possa attraversare il gap di partizione.

Se il sistema ha molti convertitori A/D, ad esempio 10 convertitori A/D come collegarli? Se la terra analogica e digitale sono collegate sotto ciascun convertitore A/D, risulterà una connessione multipunto e l’isolamento tra la terra analogica e digitale sarà privo di significato. In caso contrario, si violano i requisiti del produttore.

Il modo migliore è iniziare con un’uniforme. Come mostrato in Figura 4, il terreno è diviso uniformemente in parti analogiche e digitali. Questo layout non solo soddisfa i requisiti dei produttori di dispositivi IC per il collegamento a bassa impedenza dei pin di terra analogici e digitali, ma evita anche i problemi EMC causati dall’antenna a telaio o dall’antenna a dipolo.

In caso di dubbi sull’approccio unificato della progettazione PCB a segnale misto, è possibile utilizzare il metodo della partizione del livello di terra per disporre e instradare l’intero circuito stampato. Nella progettazione, si dovrebbe prestare attenzione a rendere il circuito stampato facile da collegare insieme a ponticelli o resistori da 0 ohm distanziati di meno di 1/2 pollice l’uno dall’altro nell’esperimento successivo. Prestare attenzione alla suddivisione in zone e al cablaggio per garantire che nessuna linea di segnale digitale sia al di sopra della sezione analogica su tutti i livelli e che nessuna linea di segnale analogico sia al di sopra della sezione digitale. Inoltre, nessuna linea di segnale deve attraversare il gap di terra o dividere il gap tra le fonti di alimentazione. Per testare la funzione della scheda e le prestazioni EMC, ritestare la funzione della scheda e le prestazioni EMC collegando i due piani insieme tramite un resistore o un ponticello da 0 ohm. Confrontando i risultati dei test, è emerso che in quasi tutti i casi la soluzione unificata era superiore in termini di funzionalità e prestazioni EMC rispetto alla soluzione divisa.

Funziona ancora il metodo di suddivisione del terreno?

Questo approccio può essere utilizzato in tre situazioni: alcuni dispositivi medici richiedono una corrente di dispersione molto bassa tra circuiti e sistemi collegati al paziente; L’uscita di alcune apparecchiature di controllo dei processi industriali può essere collegata ad apparecchiature elettromeccaniche rumorose e ad alta potenza; Un altro caso è quando il LAYOUT del PCB è soggetto a restrizioni specifiche.

Di solito ci sono alimentatori digitali e analogici separati su una scheda PCB a segnale misto che può e dovrebbe avere una faccia di alimentazione divisa. Tuttavia, le linee di segnale adiacenti allo strato di alimentazione non possono attraversare il divario tra gli alimentatori e tutte le linee di segnale che attraversano il divario devono essere posizionate sullo strato di circuito adiacente all’area estesa. In alcuni casi, l’alimentatore analogico può essere progettato con connessioni PCB anziché con una faccia per evitare la divisione della faccia dell’alimentazione.

Progettazione della partizione di PCB a segnale misto

La progettazione PCB a segnale misto è un processo complesso, il processo di progettazione dovrebbe prestare attenzione ai seguenti punti:

1. Dividere il PCB in parti analogiche e digitali separate.

2. Corretta disposizione dei componenti.

3. Il convertitore A/D è posizionato tra le partizioni.

4. Non dividere il terreno. La parte analogica e la parte digitale del circuito sono disposte uniformemente.

5. In tutti gli strati della scheda, il segnale digitale può essere instradato solo nella parte digitale della scheda.

6. In tutti i livelli della scheda, i segnali analogici possono essere instradati solo nella parte analogica della scheda.

7. Separazione di potenza analogica e digitale.

8. Il cablaggio non deve coprire lo spazio tra le superfici di alimentazione divise.

9. Le linee di segnale che devono coprire lo spazio tra gli alimentatori separati devono essere posizionate sullo strato di cablaggio adiacente a un’ampia area.

10. Analizzare il percorso effettivo e la modalità del flusso di corrente terrestre.

11. Utilizzare regole di cablaggio corrette.