PCB 혼합 신호 회로의 설계는 매우 복잡합니다. 구성 요소의 레이아웃 및 배선, 전원 공급 장치 및 접지선 처리는 회로 성능 및 전자파 적합성 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 논문에서 소개하는 접지와 전원 공급 장치의 파티션 설계는 혼합 신호 회로의 성능을 최적화할 수 있습니다.

디지털 신호와 아날로그 신호 간의 간섭을 줄이는 방법은 무엇입니까? 설계 전에 전자기 적합성(EMC)의 두 가지 기본 원칙을 이해해야 합니다. 첫 번째 원칙은 전류 루프 영역을 최소화하는 것입니다. 두 번째 원칙은 시스템이 하나의 기준 평면만 사용한다는 것입니다. 반대로 시스템에 두 개의 기준면이 있는 경우 다이폴 안테나를 형성할 수 있습니다(참고: 작은 다이폴 안테나의 방사는 라인의 길이, 흐르는 전류의 양, 주파수에 비례합니다). 신호가 가능한 가장 작은 루프를 통해 반환되지 않으면 큰 원형 안테나가 형성될 수 있습니다. 가능한 한 디자인에서 두 가지 모두를 피하십시오.

디지털 접지와 아날로그 접지 사이의 절연을 달성하기 위해 혼합 신호 회로 기판에서 디지털 접지와 아날로그 접지를 분리하는 것이 제안되었습니다. 이 접근 방식은 실현 가능하지만 특히 크고 복잡한 시스템에서 많은 잠재적인 문제가 있습니다. 가장 중요한 문제는 파티션 갭 배선을 건너지 않는 것입니다. 일단 파티션 갭 배선을 건너면 전자기 복사 및 신호 혼선이 급격히 증가합니다. PCB 설계에서 가장 흔한 문제는 접지 또는 전원 공급 장치를 가로지르는 신호 라인으로 인해 발생하는 EMI 문제입니다.

그림 1과 같이 위의 분할 방법을 사용하고 신호 라인은 두 접지 사이의 간격에 걸쳐 있습니다. 신호 전류의 반환 경로는 무엇입니까? 두 개의 분할된 랜드가 어떤 지점(보통 한 지점의 단일 지점)에서 연결되어 있다고 가정합니다. 이 경우 접지 전류는 큰 루프를 형성합니다. 큰 루프를 통해 흐르는 고주파 전류는 복사 및 높은 접지 인덕턴스를 생성합니다. 큰 루프를 통해 흐르는 낮은 레벨의 아날로그 전류는 외부 신호의 간섭을 받기 쉽습니다. 가장 나쁜 점은 전원에서 섹션이 함께 연결될 때 매우 큰 전류 루프가 형성된다는 것입니다. 또한 긴 와이어로 연결된 아날로그 및 디지털 접지가 다이폴 안테나를 형성합니다.

전류가 접지로 역류하는 경로와 모드를 이해하는 것은 혼합 신호 회로 기판 설계를 최적화하는 열쇠입니다. 많은 설계 엔지니어는 전류의 특정 경로를 무시하고 신호 전류가 흐르는 위치만 고려합니다. 접지 레이어가 분할되어야 하고 파티션 사이의 간격을 통해 라우팅되어야 하는 경우 분할된 접지 사이에 단일 지점 연결을 만들어 두 접지 레이어 사이에 연결 브리지를 형성한 다음 연결 브리지를 통해 라우팅할 수 있습니다. 이러한 방식으로 각 신호 라인 아래에 직류 역류 경로를 제공할 수 있어 루프 영역이 작아집니다.

광학 절연 장치 또는 변압기를 사용하여 분할 간격을 가로지르는 신호를 실현할 수도 있습니다. 전자의 경우 분할 간격에 걸쳐 있는 광학 신호입니다. 변압기의 경우 파티션 갭에 걸쳐 있는 자기장입니다. 차동 신호도 가능합니다. 신호는 한 라인에서 유입되고 다른 라인에서 되돌아오는데, 이 경우 불필요하게 역류 경로로 사용됩니다.

디지털 신호와 아날로그 신호의 간섭을 알아보기 위해서는 먼저 고주파 전류의 특성을 이해해야 합니다. 고주파 전류는 항상 신호 바로 아래에 가장 낮은 임피던스(인덕턴스)가 있는 경로를 선택하므로 인접 레이어가 전원 공급 장치 레이어인지 접지 레이어인지에 관계없이 인접한 회로 레이어를 통해 복귀 전류가 흐릅니다.

실제로는 일반적으로 아날로그 및 디지털 부품으로 균일한 PCB 파티션을 사용하는 것이 좋습니다. 아날로그 신호는 보드의 모든 레이어의 아날로그 영역으로 라우팅되고 디지털 신호는 디지털 회로 영역에서 라우팅됩니다. 이 경우 디지털 신호 반환 전류는 아날로그 신호의 접지로 흐르지 않습니다.

디지털 신호에서 아날로그 신호로의 간섭은 디지털 신호가 회로 기판의 디지털 부분을 통해 라우팅되거나 아날로그 신호가 라우팅될 때만 발생합니다. 이 문제는 분할 부족으로 인한 것이 아니라 디지털 신호의 부적절한 배선이 실제 원인입니다.

PCB 설계는 디지털 회로 및 아날로그 회로 파티션 및 적절한 신호 배선을 통해 통합을 사용하여 일반적으로 더 어려운 레이아웃 및 배선 문제를 해결할 수 있지만 접지 분할로 인한 잠재적인 문제도 없습니다. 이 경우 구성 요소의 레이아웃과 분할이 설계 품질을 결정하는 데 중요합니다. 적절하게 배치되면 디지털 접지 전류는 보드의 디지털 부분으로 제한되고 아날로그 신호를 방해하지 않습니다. 이러한 배선은 배선 규칙을 100% 준수하도록 주의 깊게 확인하고 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 부적절한 신호 라인이 아주 좋은 회로 기판을 완전히 파괴할 것입니다.

A/D 컨버터의 아날로그 및 디지털 접지 핀을 함께 연결할 때 대부분의 A/D 컨버터 제조업체는 가장 짧은 리드를 사용하여 AGND 및 DGND 핀을 동일한 저임피던스 접지에 연결할 것을 권장합니다(참고: 대부분의 A/D 컨버터 칩은 내부적으로 아날로그와 디지털 접지를 함께 연결하지 않기 때문에 아날로그와 디지털 접지는 외부 핀을 통해 연결되어야 합니다. DGND에 연결된 외부 임피던스는 기생을 통해 IC 내부의 아날로그 회로에 더 많은 디지털 노이즈를 결합합니다. 정전 용량. 이 권장 사항에 따라 A/D 변환기 AGND 및 DGND 핀을 모두 아날로그 접지에 연결해야 하지만 이 접근 방식은 디지털 신호 디커플링 커패시터의 접지 끝을 아날로그 또는 디지털 접지에 연결해야 하는지 여부와 같은 문제를 제기합니다.

시스템에 A/D 변환기가 하나만 있으면 위의 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 그림 3과 같이 A/D 변환기 아래에서 접지가 분할되고 아날로그 및 디지털 접지 섹션이 함께 연결됩니다. 이 방법을 사용하는 경우 두 사이트 간의 브리지 너비가 IC 너비와 동일하고 신호 라인이 파티션 갭을 넘을 수 없도록 해야 합니다.

시스템에 많은 A/D 변환기가 있는 경우(예: 10개의 A/D 변환기) 연결 방법은 무엇입니까? 아날로그와 디지털 접지가 각 A/D 컨버터 아래에 연결되면 다점 연결이 발생하고 아날로그와 디지털 접지 사이의 절연은 의미가 없습니다. 그렇지 않으면 제조업체의 요구 사항을 위반하는 것입니다.

가장 좋은 방법은 유니폼으로 시작하는 것입니다. 그림 4와 같이 접지는 아날로그 부분과 디지털 부분으로 균일하게 나뉩니다. 이 레이아웃은 아날로그 및 디지털 접지 핀의 낮은 임피던스 연결에 대한 IC 장치 제조업체의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 루프 안테나 또는 다이폴 안테나로 인한 EMC 문제를 방지합니다.

혼합 신호 PCB 설계의 통합 접근 방식에 대해 의문이 있는 경우 접지 레이어 분할 방법을 사용하여 전체 회로 기판을 배치하고 라우팅할 수 있습니다. 설계에서는 이후 실험에서 0/1인치 미만의 간격으로 점퍼 또는 2옴 저항과 함께 회로 기판을 쉽게 연결할 수 있도록 주의해야 합니다. 구역 설정 및 배선에 주의하여 모든 레이어의 아날로그 섹션 위에 디지털 신호 라인이 없고 디지털 섹션 위에 아날로그 신호 라인이 없도록 하십시오. 또한 신호 라인이 접지 갭을 가로지르거나 전원 사이의 갭을 분할해서는 안 됩니다. 보드의 기능과 EMC 성능을 테스트하려면 0옴 저항 또는 점퍼를 통해 두 층을 함께 연결하여 보드의 기능과 EMC 성능을 다시 테스트하십시오. 테스트 결과를 비교하면 거의 모든 경우에 통합 솔루션이 분리 솔루션에 비해 기능 및 EMC 성능 면에서 더 우수한 것으로 나타났습니다.

땅을 나누는 방법은 여전히 ​​유효합니까?

이 접근 방식은 세 가지 상황에서 사용할 수 있습니다. 일부 의료 기기는 회로와 환자에 연결된 시스템 사이에 매우 낮은 누설 전류가 필요합니다. 일부 산업 공정 제어 장비의 출력은 시끄러운 고전력 전자 기계 장비에 연결될 수 있습니다. 또 다른 경우는 PCB의 LAYOUT이 특정 제한을 받는 경우입니다.

일반적으로 분리된 전원 공급 장치 면을 가질 수 있고 가져야 하는 혼합 신호 PCB 보드에 별도의 디지털 및 아날로그 전원 공급 장치가 있습니다. 단, 전원층에 인접한 신호선은 전원 사이의 간격을 넘을 수 없으며, 그 간격을 가로지르는 모든 신호선은 넓은 영역에 인접한 회로층에 위치해야 합니다. 경우에 따라 전원 면 분할을 방지하기 위해 아날로그 전원 공급 장치를 한 면이 아닌 PCB 연결로 설계할 수 있습니다.

혼합 신호 PCB의 파티션 설계

혼합 신호 PCB 설계는 복잡한 프로세스이므로 설계 프로세스는 다음 사항에 주의해야 합니다.

1. PCB를 별도의 아날로그 및 디지털 부품으로 나눕니다.

2. 적절한 구성 요소 레이아웃.

3. A/D 변환기는 파티션에 걸쳐 배치됩니다.

4. 땅을 나누지 마십시오. 회로 기판의 아날로그 부분과 디지털 부분은 균일하게 배치됩니다.

5. 보드의 모든 레이어에서 디지털 신호는 보드의 디지털 부분에서만 라우팅될 수 있습니다.

6. 보드의 모든 레이어에서 아날로그 신호는 보드의 아날로그 부분에서만 라우팅할 수 있습니다.

7. 아날로그 및 디지털 전원 분리.

8. 배선은 분할된 전원 공급 장치 표면 사이의 간격을 초과하지 않아야 합니다.

9. 분할 전원 공급 장치 사이의 간격에 걸쳐 있어야 하는 신호 라인은 넓은 영역에 인접한 배선 층에 위치해야 합니다.

10. 지류 흐름의 실제 경로와 모드를 분석합니다.

11. 올바른 배선 규칙을 사용하십시오.