Kaip pasiekti mišraus signalo PCB skaidinio dizainą?

Santrauka: mišrių signalų grandinės projektavimas PCB yra labai sudėtinga. Komponentų išdėstymas ir laidai bei maitinimo ir įžeminimo laido apdorojimas tiesiogiai paveiks grandinės veikimą ir elektromagnetinio suderinamumo veikimą. Šiame straipsnyje pateiktas įžeminimo ir maitinimo pertvaros dizainas gali optimizuoti mišraus signalo grandinių veikimą.

ipcb

Kaip sumažinti abipusius trukdžius tarp skaitmeninio ir analoginio signalo? Prieš projektuodami turime suprasti du pagrindinius elektromagnetinio suderinamumo (EMC) principus: pirmasis principas yra sumažinti srovės kilpos plotą; antrasis principas – sistema naudoja tik vieną atskaitos paviršių. Priešingai, jei sistema turi dvi atskaitos plokštumas, galima suformuoti dipolinę anteną (Pastaba: mažos dipolio antenos spinduliavimo dydis yra proporcingas linijos ilgiui, tekančios srovės dydžiui ir dažniui); ir jei signalas negali praeiti kuo daugiau Mažos kilpos grįžimas gali sudaryti didelę kilpinę anteną (Pastaba: mažos kilpinės antenos spinduliavimo dydis yra proporcingas kilpos plotui, per kilpą tekančiajai srovei ir kvadratui dažnio). Kurdami dizainą, kiek įmanoma venkite šių dviejų situacijų.

Siūloma atskirti skaitmeninį įžeminimą ir analoginį įžeminimą mišraus signalo plokštėje, kad būtų galima atskirti skaitmeninį įžeminimą ir analoginį įžeminimą. Nors šis metodas yra įmanomas, yra daug galimų problemų, ypač sudėtingose ​​didelės apimties sistemose. Svarbiausia problema yra ta, kad jo negalima nukreipti per skyrių tarpą. Kai skirstymo tarpas bus nukreiptas, elektromagnetinė spinduliuotė ir signalo skerspjūvis smarkiai padidės. Dažniausia PCB projektavimo problema yra ta, kad signalo linija kerta padalintą žemę arba maitinimo šaltinį ir sukuria EMI problemas.

Kaip sukurti mišraus signalo PCB skaidinį

Kaip parodyta 1 paveiksle, mes naudojame aukščiau minėtą padalijimo metodą, o signalo linija kerta tarpą tarp dviejų įžeminimo. Koks yra signalo srovės grįžimo kelias? Darant prielaidą, kad du padalinti įžeminimai yra kažkur sujungti (dažniausiai vieno taško jungtis tam tikroje vietoje), tokiu atveju įžeminimo srovė sudarys didelę kilpą. Aukšto dažnio srovė, tekanti per didelę kilpą, sukuria spinduliuotę ir aukštą įžeminimo induktyvumą. Jei žemo lygio analoginė srovė teka per didelę kilpą, srovę lengvai trikdo išoriniai signalai. Blogiausia, kad sujungus padalintus įžeminimus prie maitinimo šaltinio, susidarys labai didelė srovės kilpa. Be to, analoginis įžeminimas ir skaitmeninis įžeminimas yra sujungti ilgu laidu, kad susidarytų dipolio antena.

Norint optimizuoti mišraus signalo plokštės dizainą, svarbu suprasti srovės grįžimo į žemę kelią ir metodą. Daugelis projektavimo inžinierių atsižvelgia tik į tai, kur teka signalo srovė, ir nepaiso konkretaus srovės kelio. Jei reikia padalyti įžeminimo sluoksnį, o laidai turi būti nutiesti per tarpą tarp pertvarų, tarp padalintų įžeminimo gali būti padaryta vieno taško jungtis, kad būtų sudarytas jungties tiltas tarp dviejų įžeminimo, o tada laidai per jungiamąjį tiltelį. . Tokiu būdu po kiekviena signalo linija gali būti numatytas nuolatinės srovės grįžtamasis kelias, kad suformuotas kilpos plotas būtų mažas.

Naudojant optinės izoliacijos įrenginius arba transformatorius taip pat galima pasiekti signalą per segmentavimo tarpą. Pirmiesiems segmentavimo tarpą kerta optinis signalas; transformatoriaus atveju magnetinis laukas kerta segmentacijos tarpą. Kitas įmanomas būdas yra diferencialinių signalų naudojimas: signalas įeina iš vienos linijos ir grįžta iš kitos signalo linijos. Šiuo atveju žemė nereikalinga kaip grįžtamasis kelias.

Norėdami giliai ištirti skaitmeninių signalų trukdžius analoginiams signalams, pirmiausia turime suprasti aukšto dažnio srovių charakteristikas. Aukšto dažnio srovėms visada pasirinkite kelią su mažiausia varža (mažiausia induktyvumu) ir tiesiai po signalu, kad grįžtamoji srovė tekėtų per gretimą grandinės sluoksnį, nepriklausomai nuo to, ar gretimas sluoksnis yra maitinimo sluoksnis, ar žemės sluoksnis. .

Realiame darbe paprastai linkstama naudoti vieningą įžeminimą ir padalinti PCB į analoginę ir skaitmeninę dalis. Analoginis signalas nukreipiamas visų plokštės sluoksnių analoginėje srityje, o skaitmeninis signalas nukreipiamas į skaitmeninės grandinės sritį. Tokiu atveju skaitmeninio signalo grąžinimo srovė netekės į analoginio signalo žemę.

Tik tada, kai skaitmeninis signalas yra prijungtas prie analoginės plokštės dalies arba analoginis signalas yra prijungtas prie skaitmeninės plokštės dalies, atsiranda skaitmeninio signalo trukdžiai analoginiam signalui. Tokios problemos nekyla, nes nėra padalinto įžeminimo, tikroji priežastis yra netinkamas skaitmeninio signalo sujungimas.

PCB dizainas naudoja vieningą įžeminimą, per skaitmeninės grandinės ir analoginės grandinės skaidinį bei atitinkamą signalo laidą, paprastai gali išspręsti kai kurias sudėtingesnes išdėstymo ir laidų problemas, ir tuo pačiu metu tai nesukels kai kurių galimų problemų, kurias sukelia žemės padalijimas. Šiuo atveju komponentų išdėstymas ir padalijimas tampa raktu nustatant dizaino privalumus ir trūkumus. Jei išdėstymas yra pagrįstas, skaitmeninė įžeminimo srovė bus apribota skaitmenine plokštės dalimi ir netrukdys analoginiam signalui. Tokie laidai turi būti atidžiai apžiūrėti ir patikrinti, kad būtų užtikrinta, jog 100 % laikomasi laidų sujungimo taisyklių. Priešingu atveju netinkamas signalo linijos maršrutas visiškai sunaikins šiaip labai gerą plokštę.

Kai kartu sujungiate A/D keitiklio analoginį įžeminimą ir skaitmeninį įžeminimo kaiščius, dauguma A/D keitiklių gamintojų rekomenduoja: Prijunkite AGND ir DGND kaiščius prie tos pačios mažos varžos įžeminimo per trumpiausią laidą. (Pastaba: kadangi dauguma A/D keitiklio lustų nejungia analoginio ir skaitmeninio įžeminimo, analoginis ir skaitmeninis įžeminimas turi būti sujungti per išorinius kaiščius.) Bet kokia išorinė varža, prijungta prie DGND, praeis parazitinei talpai. Daugiau skaitmeninio triukšmo yra sujungtas su analoginėmis grandinėmis IC viduje. Pagal šią rekomendaciją turite prijungti A/D keitiklio AGND ir DGND kaiščius prie analoginio įžeminimo, tačiau šis metodas sukels problemų, pavyzdžiui, ar skaitmeninio signalo atjungimo kondensatoriaus įžeminimo gnybtą reikia prijungti prie analoginio įžeminimo. arba skaitmeninis įžeminimas.

Kaip sukurti mišraus signalo PCB skaidinį

Jei sistemoje yra tik vienas A/D keitiklis, aukščiau išvardintos problemos gali būti lengvai išspręstos. Kaip parodyta 3 paveiksle, padalinkite įžeminimą ir kartu sujunkite analoginį ir skaitmeninį įžeminimą po A/D keitikliu. Taikant šį metodą, būtina užtikrinti, kad jungiamojo tiltelio tarp dviejų įžeminimo plotis būtų toks pat kaip IC plotis ir jokia signalo linija negalėtų kirsti padalijimo tarpo.

Jei sistemoje yra daug A/D keitiklių, pavyzdžiui, kaip prijungti 10 A/D keitiklių? Jei analoginis įžeminimas ir skaitmeninis įžeminimas yra sujungti po kiekvienu A/D keitikliu, sukuriama kelių taškų jungtis, o izoliacija tarp analoginio ir skaitmeninio įžeminimo yra beprasmė. Jei taip neprisijungsite, tai pažeidžia gamintojo reikalavimus.