תקציר: עיצוב מעגל אות מעורב PCB הוא מאוד מסובך. הפריסה והחיווט של הרכיבים ועיבוד אספקת החשמל וחוט ההארקה ישפיעו ישירות על ביצועי המעגל וביצועי התאימות האלקטרומגנטית. עיצוב המחיצה של אדמה והספק שהוצג במאמר זה יכול לייעל את הביצועים של מעגלי אותות מעורבים.

כיצד להפחית את ההפרעה ההדדית בין האות הדיגיטלי לאות האנלוגי? לפני התכנון, עלינו להבין את שני העקרונות הבסיסיים של תאימות אלקטרומגנטית (EMC): העיקרון הראשון הוא למזער את שטח הלולאה הנוכחית; העיקרון השני הוא שהמערכת משתמשת רק במשטח ייחוס אחד. להיפך, אם למערכת יש שני מישורי ייחוס, אפשר ליצור אנטנה דיפולית (הערה: גודל הקרינה של אנטנה דיפול קטנה הוא פרופורציונלי לאורך הקו, כמות הזרם הזורם והתדירות); ואם האות לא יכול לעבור כמה שיותר החזרה של לולאה קטנה עלולה ליצור אנטנת לולאה גדולה (הערה: גודל הקרינה של אנטנת לולאה קטנה הוא פרופורציונלי לשטח הלולאה, לזרם הזורם דרך הלולאה ולריבוע של התדר). הימנע משני המצבים הללו ככל האפשר בעיצוב.

מומלץ להפריד את ההארקה הדיגיטלית והארקה האנלוגית בלוח המעגלים המעורבים, כך שניתן יהיה להשיג את הבידוד בין ההארקה הדיגיטלית להארקה האנלוגית. למרות ששיטה זו אפשרית, ישנן בעיות פוטנציאליות רבות, במיוחד במערכות מורכבות בקנה מידה גדול. הבעיה הקריטית ביותר היא שלא ניתן לנתב אותו על פני פער החלוקה. לאחר ניתוב פער החלוקה, קרינה אלקטרומגנטית ודיבור האותות יגדלו בחדות. הבעיה הנפוצה ביותר בתכנון PCB היא שקו האות חוצה את האדמה המחולקת או ספק הכוח ומייצר בעיות EMI.

כיצד להשיג עיצוב מחיצה של PCB עם אותות מעורבים

כפי שמוצג באיור 1, אנו משתמשים בשיטת החלוקה המוזכרת לעיל, וקו האות חוצה את הפער בין שני הקרקעות. מהו נתיב ההחזרה של זרם האות? בהנחה ששני הקרקעות המחולקות מחוברות יחד איפשהו (בדרך כלל חיבור נקודתי בודד במיקום מסוים), במקרה זה, זרם האדמה יצור לולאה גדולה. הזרם בתדר הגבוה הזורם דרך הלולאה הגדולה מייצר קרינה והשראת קרקע גבוהה. אם הזרם האנלוגי ברמה נמוכה זורם דרך הלולאה הגדולה, הזרם מופרע בקלות על ידי אותות חיצוניים. הדבר הגרוע ביותר הוא שכאשר המתחמים המחולקים מחוברים יחד בספק הכוח, תיווצר לולאת זרם גדולה מאוד. בנוסף, ההארקה האנלוגית והאדמה הדיגיטלית מחוברות באמצעות חוט ארוך ליצירת אנטנה דיפולית.

הבנת הנתיב והשיטה של ​​החזרת הזרם לאדמה היא המפתח לאופטימיזציה של עיצוב לוח מעגלים מעורבים. מהנדסי תכנון רבים שוקלים רק היכן זורם זרם האות, ומתעלמים מהנתיב הספציפי של הזרם. אם יש לחלק את שכבת הקרקע, והחיווט חייב להיות מנותב דרך הרווח בין החטיבות, ניתן ליצור חיבור חד-נקודתי בין הקרקעות המחולקות ליצירת גשר חיבור בין שני הקרקעות, ולאחר מכן לחוט דרך גשר החיבור. . בדרך זו, ניתן לספק נתיב החזרת זרם ישר מתחת לכל קו אות, כך ששטח הלולאה שנוצר קטן.

השימוש בהתקני בידוד אופטי או שנאים יכול גם להשיג את האות על פני פער הפילוח. עבור הראשונים, האות האופטי הוא שחוצה את פער הפילוח; במקרה של שנאי, השדה המגנטי הוא שחוצה את פער הפילוח. שיטה אפשרית נוספת היא להשתמש באותות דיפרנציאליים: האות זורם מקו אחד וחוזר מקו אות אחר. במקרה זה, הקרקע אינה נחוצה כשביל חזרה.

כדי לחקור לעומק את ההפרעות של אותות דיגיטליים לאותות אנלוגיים, עלינו להבין תחילה את המאפיינים של זרמים בתדר גבוה. עבור זרמים בתדר גבוה, בחר תמיד את הנתיב בעל העכבה הנמוכה ביותר (השראות הנמוכה ביותר) וישר מתחת לאות, כך שהזרם החוזר יזרום דרך שכבת המעגל הסמוכה, ללא קשר אם השכבה הסמוכה היא שכבת הכוח או שכבת הקרקע. .

בעבודה בפועל, הוא נוטה בדרך כלל להשתמש בקרקע מאוחדת, ולחלק את ה-PCB לחלק אנלוגי וחלק דיגיטלי. האות האנלוגי מנותב באזור האנלוגי של כל שכבות המעגל, והאות הדיגיטלי מנותב באזור המעגל הדיגיטלי. במקרה זה, זרם החזרת האות הדיגיטלי לא יזרום להארקת האות האנלוגי.

רק כאשר האות הדיגיטלי מחווט על החלק האנלוגי של המעגל או האות האנלוגי מחווט על החלק הדיגיטלי של המעגל, תופיע ההפרעה של האות הדיגיטלי לאות האנלוגי. בעיה מסוג זה אינה מתרחשת מכיוון שאין קרקע מחולקת, הסיבה האמיתית היא חיווט לא תקין של האות הדיגיטלי.

עיצוב PCB מאמץ הארקה מאוחדת, באמצעות מחיצת מעגלים דיגיטליים ומעגלים אנלוגיים וחיווט אות מתאים, בדרך כלל יכול לפתור כמה בעיות פריסה וחיווט קשות יותר, ובמקביל, זה לא יגרום לבעיות פוטנציאליות הנגרמות על ידי חלוקת הקרקע. במקרה זה, הפריסה והחלוקה של הרכיבים הופכים למפתח לקביעת היתרונות והחסרונות של העיצוב. אם הפריסה סבירה, זרם ההארקה הדיגיטלי יוגבל לחלק הדיגיטלי של המעגל ולא יפריע לאות האנלוגי. חיווט כזה חייב להיבדק בקפידה ולאמת כדי לוודא שכללי החיווט מצייתים ב-100%. אחרת, ניתוב לא תקין של קו אות יהרוס לחלוטין לוח מעגלים טוב מאוד.

כאשר מחברים את פיני ההארקה האנלוגיים והארקה הדיגיטליים של ממיר ה-A/D יחדיו, רוב יצרני ממירי ה-A/D מציעים: חבר את פיני AGND ו-DGND לאותה הארקה עם עכבה נמוכה דרך הכבל הקצר ביותר. (הערה: מכיוון שרוב שבבי ממירי ה-A/D אינם מחברים את ההארקה האנלוגית והארקה הדיגיטלית יחד, יש לחבר את ההארקה האנלוגית והדיגיטלית באמצעות פינים חיצוניים.) כל עכבה חיצונית המחוברת ל-DGND תעבור קיבול טפילי. יותר רעש דיגיטלי מחובר למעגלים האנלוגיים בתוך ה-IC. לפי המלצה זו, עליך לחבר את פיני AGND ו-DGND של ממיר ה-A/D להארקה האנלוגית, אך שיטה זו תגרום לבעיות כמו האם יש לחבר את מסוף ההארקה של קבל ניתוק האותות הדיגיטלי לאדמה האנלוגית. או הקרקע הדיגיטלית.

כיצד להשיג עיצוב מחיצה של PCB עם אותות מעורבים

אם למערכת יש רק ממיר A/D אחד, ניתן לפתור בקלות את הבעיות הנ”ל. כפי שמוצג באיור 3, חלקו את האדמה וחברו את האדמה האנלוגית והארקה הדיגיטלית יחד מתחת לממיר A/D. בעת אימוץ שיטה זו, יש צורך לוודא שרוחב הגשר המחבר בין שני הקרקעות זהה לרוחב ה-IC, וכל קו אות אינו יכול לחצות את פער החלוקה.

אם יש הרבה ממירי A/D במערכת, למשל, איך מחברים 10 ממירי A/D? אם ההארקה האנלוגית והארקה הדיגיטלית מחוברים יחד מתחת לכל ממיר A/D, נוצר חיבור רב-נקודתי, והבידוד בין ההארקה האנלוגית להארקה הדיגיטלית חסר משמעות. אם לא תתחבר בצורה כזו, זה מפר את דרישות היצרן.