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

כיצד לצמצם את ההפרעות בין אותות דיגיטליים ואנלוגיים? יש להבין שני עקרונות בסיסיים של תאימות אלקטרומגנטית (EMC) לפני התכנון: העיקרון הראשון הוא למזער את שטח הלולאה הנוכחית; העיקרון השני הוא שהמערכת משתמשת רק במישור ייחוס אחד. להיפך, אם למערכת יש שני מישורי ייחוס, ניתן ליצור אנטנה דיפולית (שימו לב: הקרינה של אנטנה דיפולית קטנה פרופורציונלית לאורך הקו, כמות הזרם הזורמת ולתדירות). אם האות לא חוזר דרך הלולאה הקטנה ביותר האפשרית, עלולה להיווצר אנטנה מעגלית גדולה. הימנע משניהם בעיצוב שלך ככל האפשר.

הוצע להפריד את ההארקה הדיגיטלית והארקה האנלוגית בלוח המעגלים המעורבים כדי להשיג בידוד בין ההארקה הדיגיטלית להארקה האנלוגית. למרות שגישה זו אפשרית, יש לה בעיות פוטנציאליות רבות, במיוחד במערכות גדולות ומורכבות. הבעיה הקריטית ביותר היא לא לחצות את חיווט פער המחיצה, לאחר חציית חיווט פער המחיצה, קרינה אלקטרומגנטית ודיבור האותות יגדלו באופן דרמטי. הבעיה הנפוצה ביותר בתכנון PCB היא בעיית EMI הנגרמת על ידי קו אות שחוצה את האדמה או ספק הכוח.

כפי שמוצג באיור 1, אנו משתמשים בשיטת הפילוח לעיל, וקו האות משתרע על הפער בין שני הקרקע, מהו נתיב ההחזרה של זרם האות? נניח ששתי האדמות המחולקות מחוברות בשלב מסוים (בדרך כלל נקודה בודדת בנקודה אחת), ובמקרה זה זרם האדמה יצור לולאה גדולה. הזרם בתדר הגבוה הזורם דרך הלולאה הגדולה יפיק קרינה והשראת קרקע גבוהה. אם הזרם האנלוגי ברמה הנמוכה הזורם דרך הלולאה הגדולה קל להיות מופרע על ידי אותות חיצוניים. הדבר הגרוע ביותר הוא שכאשר הקטעים מחוברים יחד במקור הכוח, נוצרת לולאת זרם גדולה מאוד. בנוסף, הארקה אנלוגית ודיגיטלית המחוברת באמצעות חוט ארוך יוצרים אנטנה דיפול.

הבנת הנתיב והאופן של זרימת זרם חזרה לאדמה היא המפתח למיטוב עיצוב המעגלים של אותות מעורבים. מהנדסי תכנון רבים שוקלים רק היכן זורם זרם האות, תוך התעלמות מהנתיב הספציפי של הזרם. אם יש לחלק את שכבת הקרקע ויש לנתב אותה דרך הרווח שבין המחיצות, ניתן ליצור חיבור נקודתי בין הקרקע המחולקת ליצירת גשר חיבור בין שתי שכבות הקרקע ולאחר מכן לנתב דרך גשר החיבור. בדרך זו, ניתן לספק נתיב זרימת זרם ישר מתחת לכל קו אות, וכתוצאה מכך אזור לולאה קטן.

ניתן להשתמש גם במכשירי בידוד אופטי או בשנאים כדי לממש את האות שחוצה את פער הפילוח. עבור הראשונים, האות האופטי הוא שמשתרע על פער הפילוח. במקרה של שנאי, השדה המגנטי הוא שמשתרע על פער המחיצה. גם אותות דיפרנציאליים אפשריים: אותות זורמים מקו אחד וחוזרים מהשני, ובמקרה זה הם משמשים כנתיבי זרימה חוזרת שלא לצורך.

כדי לחקור את ההפרעות של אות דיגיטלי לאות אנלוגי, עלינו להבין תחילה את המאפיינים של זרם בתדר גבוה. זרם בתדר גבוה תמיד בוחר את הנתיב עם העכבה (השראות) הנמוכה ביותר ישירות מתחת לאות, כך שהזרם החוזר יזרום דרך שכבת המעגל הסמוכה, ללא קשר אם השכבה הסמוכה היא שכבת אספקת החשמל או שכבת ההארקה.

בפועל, עדיף בדרך כלל להשתמש במחיצת PCB אחידה לחלקים אנלוגיים ודיגיטליים. אותות אנלוגיים מנותבים באזור האנלוגי של כל שכבות הלוח, בעוד שאותות דיגיטליים מנותבים באזור המעגל הדיגיטלי. במקרה זה, זרם החזרת האות הדיגיטלי אינו זורם לאדמה של האות האנלוגי.

הפרעות מאותות דיגיטליים לאותות אנלוגיים מתרחשת רק כאשר האותות הדיגיטליים מנותבים או אותות אנלוגיים מנותבים על החלקים הדיגיטליים של המעגל. בעיה זו אינה נובעת מחוסר פילוח, הסיבה האמיתית היא חיווט לא תקין של אותות דיגיטליים.

עיצוב PCB משתמש מאוחד, דרך המעגל הדיגיטלי ומחיצת המעגל האנלוגי וחיווט אות מתאים, בדרך כלל יכול לפתור כמה מבעיות הפריסה והחיווט הקשות יותר, אבל גם אין לו כמה בעיות פוטנציאליות הנגרמות על ידי פילוח הארקה. במקרה זה, הפריסה והחלוקה של הרכיבים הופכת קריטית בקביעת איכות העיצוב. אם מונח כהלכה, זרם ההארקה הדיגיטלי יהיה מוגבל לחלק הדיגיטלי של הלוח ולא יפריע לאות האנלוגי. חיווט כזה חייב להיבדק בקפידה ולבדוק כדי להבטיח עמידה ב-100% בכללי החיווט. אחרת, קו אות לא תקין יהרוס לחלוטין לוח מעגלים טוב מאוד.

בעת חיבור פיני הארקה אנלוגיים ודיגיטליים של ממירי A/D יחדיו, רוב יצרני ממירי A/D ממליצים לחבר את פיני AGND ו-DGND לאותה הארקה בעלת עכבה נמוכה באמצעות הכבלים הקצרים ביותר (הערה: מכיוון שרוב שבבי ממירי ה-A/D אינם מחברים את הארקה האנלוגית והדיגיטלית יחדיו פנימית, ההארקה האנלוגית והדיגיטלית חייבת להיות מחוברת באמצעות פינים חיצוניים), כל עכבה חיצונית המחוברת ל-DGND תצמיד יותר רעש דיגיטלי למעגל האנלוגי בתוך ה-IC באמצעות טפילי קיבול. בעקבות המלצה זו, יש לחבר גם את פיני ממיר ה-A/D AGND וגם את ה-DGND להארקה האנלוגית, אך גישה זו מעלה שאלות כמו האם יש לחבר את קצה ההארקה של קבל ניתוק האות הדיגיטלי להארקה האנלוגית או הדיגיטלית.

אם למערכת יש רק ממיר A/D אחד, ניתן לפתור את הבעיה שלעיל בקלות. כפי שמוצג באיור 3, האדמה מפוצלת וקטעי ההארקה האנלוגיים והדיגיטליים מחוברים יחד מתחת לממיר A/D. כאשר שיטה זו מאומצת, יש צורך להבטיח שרוחב הגשר בין שני האתרים יהיה שווה לרוחב ה-IC, ושאף קו אות לא יוכל לחצות את פער המחיצה.

אם למערכת יש הרבה ממירי A/D, למשל, 10 ממירי A/D איך לחבר? אם מתחברים הארקה אנלוגית ודיגיטלית מתחת לכל ממיר A/D, ייווצר חיבור רב-נקודתי, והבידוד בין הארקה אנלוגית ודיגיטלית יהיה חסר משמעות. אם לא, אתה מפר את דרישות היצרן.

הדרך הטובה ביותר היא להתחיל עם מדים. כפי שמוצג באיור 4, הקרקע מחולקת באופן אחיד לחלקים אנלוגיים ודיגיטליים. פריסה זו לא רק עונה על הדרישות של יצרני מכשירי IC לחיבור עכבה נמוכה של פיני הארקה אנלוגיים ודיגיטליים, אלא גם מונעת בעיות EMC הנגרמות על ידי אנטנת לולאה או אנטנת דיפול.

אם יש לך ספקות לגבי הגישה המאוחדת של עיצוב PCB עם אותות מעורבים, אתה יכול להשתמש בשיטה של ​​מחיצת שכבת הקרקע כדי לפרוס ולנתב את כל לוח המעגלים. בתכנון, יש לשים לב כדי להפוך את המעגל לקל לחיבור יחד עם מגשרים או נגדים של 0 אוהם המרוחקים פחות מ-1/2 אינץ’ זה מזה בניסוי מאוחר יותר. שימו לב לחלוקה לאזורים ולחיווט כדי לוודא שאין קווי אות דיגיטליים מעל הקטע האנלוגי בכל השכבות ושאין קווי אות אנלוגיים מעל הקטע הדיגיטלי. יתרה מכך, אף קו אות לא צריך לחצות את פער הקרקע או לחלק את הפער בין מקורות הכוח. כדי לבדוק את תפקוד הלוח וביצועי EMC, בדוק מחדש את תפקוד הלוח וביצועי EMC על ידי חיבור שתי הקומות יחד באמצעות נגד או מגשר של 0 אוהם. בהשוואת תוצאות הבדיקה, נמצא כי כמעט בכל המקרים, הפתרון המאוחד היה עדיף מבחינת פונקציונליות וביצועי EMC בהשוואה לפתרון המפוצל.

האם שיטת חלוקת הקרקע עדיין עובדת?

ניתן להשתמש בגישה זו בשלושה מצבים: מכשירים רפואיים מסוימים דורשים זרם דליפה נמוך מאוד בין מעגלים ומערכות המחוברות למטופל; הפלט של ציוד בקרת תהליכים תעשייתי מסויים עשוי להיות מחובר לציוד אלקטרומכני רועש ובעל הספק גבוה; מקרה נוסף הוא כאשר ה-LAYOUT של ה-PCB כפוף להגבלות ספציפיות.

בדרך כלל יש ספקי כוח דיגיטליים ואנלוגיים נפרדים על לוח PCB עם אותות מעורבים שיכול וצריך להיות בעל פנים ספק כוח מפוצל. עם זאת, קווי האות הסמוכים לשכבת אספקת החשמל אינם יכולים לחצות את הפער בין ספקי הכוח, וכל קווי האות שחוצים את הפער חייבים להיות ממוקמים על שכבת המעגל הסמוכה לשטח הגדול. במקרים מסוימים, ניתן לעצב את ספק הכוח האנלוגי עם חיבורי PCB ולא פנים אחד כדי למנוע פיצול פנים מתח.

עיצוב מחיצה של PCB אות מעורב

עיצוב PCB עם אותות מעורב הוא תהליך מורכב, תהליך התכנון צריך לשים לב לנקודות הבאות:

1. חלקו את ה-PCB לחלקים אנלוגיים ודיגיטליים נפרדים.

2. פריסת רכיבים נכונה.

3. ממיר A/D ממוקם על פני מחיצות.

4. אל תחלקו את הקרקע. החלק האנלוגי והחלק הדיגיטלי של המעגל מונחים באופן אחיד.

5. בכל שכבות הלוח ניתן לנתב את האות הדיגיטלי רק בחלק הדיגיטלי של הלוח.

6. בכל שכבות הלוח ניתן לנתב אותות אנלוגיים רק בחלק האנלוגי של הלוח.

7. הפרדת חשמל אנלוגית ודיגיטלית.

8. החיווט לא אמור לעבור את הפער בין משטחי אספקת החשמל המפוצלים.

9. קווי האות שחייבים לעבור את הפער בין ספקי הכוח המפוצלים צריכים להיות ממוקמים על שכבת החיווט בצמוד לשטח גדול.

10. נתח את הנתיב והאופן האמיתי של זרימת זרם האדמה.

11. השתמש בכללי חיווט נכונים.