Samenvatting: Het ontwerp van een circuit met gemengd signaal PCB is erg ingewikkeld. De lay-out en bedrading van componenten en de verwerking van de voeding en de aardingsdraad hebben een directe invloed op de circuitprestaties en de elektromagnetische compatibiliteitsprestaties. Het partitieontwerp van aarde en voeding dat in dit artikel wordt geïntroduceerd, kan de prestaties van circuits met gemengd signaal optimaliseren.

Hoe de onderlinge interferentie tussen digitaal signaal en analoog signaal te verminderen? Alvorens te ontwerpen, moeten we de twee basisprincipes van elektromagnetische compatibiliteit (EMC) begrijpen: het eerste principe is om het gebied van de huidige lus te minimaliseren; het tweede principe is dat het systeem slechts één referentieoppervlak gebruikt. Integendeel, als het systeem twee referentievlakken heeft, is het mogelijk om een ​​dipoolantenne te vormen (Opmerking: de stralingsgrootte van een kleine dipoolantenne is evenredig met de lengte van de lijn, de hoeveelheid stroom die vloeit en de frequentie); en als het signaal niet zoveel mogelijk kan passeren De terugkeer van een kleine lus kan een grote lusantenne vormen (Opmerking: de stralingsgrootte van een kleine lusantenne is evenredig met het lusoppervlak, de stroom die door de lus vloeit en het vierkant van de frequentie). Vermijd deze twee situaties zoveel mogelijk in het ontwerp.

Er wordt voorgesteld om de digitale aarde en analoge aarde op de mixed-signal printplaat te scheiden, zodat de isolatie tussen de digitale aarde en de analoge aarde kan worden bereikt. Hoewel deze methode haalbaar is, zijn er veel potentiële problemen, vooral in complexe grootschalige systemen. Het meest kritieke probleem is dat het niet over de divisiekloof kan worden gerouteerd. Zodra de delingskloof is gerouteerd, zullen elektromagnetische straling en signaaloverspraak sterk toenemen. Het meest voorkomende probleem bij PCB-ontwerp is dat de signaallijn de verdeelde aarde of voeding kruist en EMI-problemen veroorzaakt.

Hoe partitieontwerp van PCB met gemengd signaal te bereiken?

Zoals weergegeven in figuur 1 gebruiken we de bovengenoemde delingsmethode en de signaallijn kruist de opening tussen de twee gronden. Wat is het retourpad van de signaalstroom? Ervan uitgaande dat de twee verdeelde aardingen ergens met elkaar zijn verbonden (meestal een enkelpuntsverbinding op een bepaalde locatie), vormt in dit geval de aardstroom een ​​grote lus. De hoogfrequente stroom die door de grote lus vloeit, genereert straling en een hoge aardinductantie. Als de analoge stroom van laag niveau door de grote lus vloeit, wordt de stroom gemakkelijk gestoord door externe signalen. Het ergste is dat wanneer de verdeelde massa’s met elkaar worden verbonden op de voeding, er een zeer grote stroomlus ontstaat. Bovendien zijn de analoge aarde en digitale aarde verbonden door een lange draad om een ​​dipoolantenne te vormen.

Inzicht in het pad en de methode van stroomterugkeer naar aarde is de sleutel tot het optimaliseren van het ontwerp van printplaten met gemengd signaal. Veel ontwerpingenieurs kijken alleen waar de signaalstroom naartoe gaat en negeren het specifieke pad van de stroom. Als de grondlaag moet worden verdeeld en de bedrading door de opening tussen de scheidingen moet worden geleid, kan een enkelpuntsverbinding worden gemaakt tussen de verdeelde gronden om een ​​verbindingsbrug tussen de twee gronden te vormen en vervolgens bedrading door de verbindingsbrug . Op deze manier kan onder elke signaalleiding een gelijkstroomretourweg worden aangebracht, zodat het gevormde lusgebied klein is.

Het gebruik van optische isolatieapparatuur of transformatoren kan ook het signaal over de segmentatiekloof bereiken. Voor de eerste is het het optische signaal dat de segmentatiekloof overschrijdt; in het geval van een transformator is het het magnetische veld dat de segmentatiekloof overschrijdt. Een andere haalbare methode is om differentiële signalen te gebruiken: het signaal komt van de ene lijn binnen en keert terug van een andere signaallijn. In dit geval is de grond niet nodig als retourpad.

Om de interferentie van digitale signalen met analoge signalen grondig te onderzoeken, moeten we eerst de kenmerken van hoogfrequente stromen begrijpen. Kies voor hoogfrequente stromen altijd het pad met de minste impedantie (laagste inductantie) en direct onder het signaal, zodat de retourstroom door de aangrenzende circuitlaag zal stromen, ongeacht of de aangrenzende laag de vermogenslaag of de grondlaag is .

In het echte werk is het over het algemeen geneigd om een ​​uniforme grond te gebruiken en de PCB te verdelen in een analoog deel en een digitaal deel. Het analoge signaal wordt gerouteerd in het analoge gebied van alle lagen van de printplaat en het digitale signaal wordt gerouteerd in het digitale circuitgebied. In dit geval zal de retourstroom van het digitale signaal niet in de analoge signaalaarde vloeien.

Alleen wanneer het digitale signaal is aangesloten op het analoge deel van de printplaat of het analoge signaal is aangesloten op het digitale deel van de printplaat, zal de interferentie van het digitale signaal op het analoge signaal optreden. Dit soort problemen doet zich niet voor omdat er geen verdeelde aarde is, de echte reden is de onjuiste bedrading van het digitale signaal.

PCB-ontwerp maakt gebruik van uniforme grond, via digitale circuits en analoge circuitpartities en geschikte signaalbedrading, kan meestal enkele moeilijkere lay-out- en bedradingsproblemen oplossen, en tegelijkertijd zal het geen potentiële problemen veroorzaken die worden veroorzaakt door gronddeling. In dit geval wordt de lay-out en verdeling van componenten de sleutel tot het bepalen van de voor- en nadelen van het ontwerp. Als de lay-out redelijk is, zal de digitale aardstroom beperkt zijn tot het digitale deel van de printplaat en zal het analoge signaal niet interfereren. Dergelijke bedrading moet zorgvuldig worden geïnspecteerd en geverifieerd om ervoor te zorgen dat de bedradingsregels voor 100% worden nageleefd. Anders zal een onjuiste routering van een signaallijn een anders zeer goede printplaat volledig vernietigen.

Bij het met elkaar verbinden van de analoge massa- en digitale massa-pinnen van de A/D-converter, raden de meeste fabrikanten van A/D-converters het volgende aan: Verbind de AGND- en DGND-pinnen met dezelfde lage impedantie-aarde via de kortste kabel. (Opmerking: omdat de meeste A/D-converterchips de analoge aarde en de digitale aarde niet met elkaar verbinden, moeten de analoge en digitale aarde via externe pinnen worden aangesloten.) Elke externe impedantie die op DGND is aangesloten, zal parasitaire capaciteit doorgeven. Er wordt meer digitale ruis gekoppeld aan de analoge circuits in het IC. Volgens deze aanbeveling moet u de AGND- en DGND-pinnen van de A/D-converter op de analoge aarde aansluiten, maar deze methode zal problemen veroorzaken, zoals of de aardklem van de digitale signaalontkoppelingscondensator moet worden aangesloten op de analoge aarde of de digitale aarde.

Hoe partitieontwerp van PCB met gemengd signaal te bereiken?

Als het systeem slechts één A/D-converter heeft, kunnen bovenstaande problemen eenvoudig worden opgelost. Zoals weergegeven in afbeelding 3, verdeelt u de aarde en verbindt u de analoge aarde en digitale aarde met elkaar onder de A/D-converter. Bij het toepassen van deze methode moet ervoor worden gezorgd dat de breedte van de verbindingsbrug tussen de twee gronden hetzelfde is als de breedte van de IC, en dat een signaallijn de scheidingsopening niet kan overschrijden.

Als er bijvoorbeeld veel A/D-converters in het systeem zijn, hoe sluit u dan 10 A/D-converters aan? Als de analoge aarde en digitale aarde onder elke A/D-omzetter met elkaar zijn verbonden, wordt een meerpuntsverbinding gegenereerd en is de isolatie tussen de analoge aarde en de digitale aarde zinloos. Als u niet op deze manier verbinding maakt, is dit in strijd met de eisen van de fabrikant.