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

Hoe de interferentie tussen digitale en analoge signalen te verminderen? Vóór het ontwerp moeten twee basisprincipes van elektromagnetische compatibiliteit (EMC) worden begrepen: het eerste principe is om het gebied van de stroomlus te minimaliseren; Het tweede principe is dat het systeem slechts één referentievlak gebruikt. Integendeel, als het systeem twee referentievlakken heeft, is het mogelijk om een ​​dipoolantenne te vormen (let op: de straling van een kleine dipoolantenne is evenredig met de lengte van de lijn, de hoeveelheid stroom die vloeit en de frequentie). Als het signaal niet door de kleinst mogelijke lus terugkeert, kan een grote ronde antenne worden gevormd. Vermijd beide zoveel mogelijk in je ontwerp.

Er is gesuggereerd om de digitale aarde en de analoge aarde op de mixed-signal printplaat te scheiden om isolatie tussen de digitale aarde en de analoge aarde te bereiken. Hoewel deze aanpak haalbaar is, heeft deze veel potentiële problemen, vooral in grote en complexe systemen. Het meest kritieke probleem is om de bedrading van de scheidingsspleet niet te overschrijden, zodra de bedrading van de scheidingsopening wordt overschreden, zullen elektromagnetische straling en signaaloverspraak dramatisch toenemen. Het meest voorkomende probleem bij het ontwerpen van PCB’s is het EMI-probleem dat wordt veroorzaakt door een signaallijn die de grond of de voeding kruist.

Zoals weergegeven in figuur 1, gebruiken we de bovenstaande segmentatiemethode, en de signaallijn overspant de opening tussen de twee aarde, wat is het retourpad van de signaalstroom? Stel dat de twee gepartitioneerde landen op een bepaald punt zijn verbonden (meestal een enkel punt op een punt), in welk geval de aardstroom een ​​grote lus zal vormen. De hoogfrequente stroom die door de grote lus vloeit, genereert straling en een hoge grondinductantie. Als de analoge stroom van laag niveau die door de grote lus vloeit, gemakkelijk kan worden gestoord door externe signalen. Het ergste is dat wanneer de secties bij de stroombron met elkaar worden verbonden, er een zeer grote stroomlus ontstaat. Bovendien vormen analoge en digitale aarde verbonden door een lange draad een dipoolantenne.

Inzicht in het pad en de modus van stroomterugstroom naar aarde is de sleutel om het ontwerp van printplaten met gemengd signaal te optimaliseren. Veel ontwerpingenieurs houden alleen rekening met waar de signaalstroom naartoe gaat en negeren het specifieke pad van de stroom. Als de grondlaag moet worden afgescheiden en door de opening tussen de scheidingswanden moet worden geleid, kan een enkelpuntsverbinding tussen de afgescheiden grond worden gemaakt om een ​​verbindingsbrug tussen de twee grondlagen te vormen en vervolgens door de verbindingsbrug worden geleid. Op deze manier kan onder elke signaalleiding een gelijkstroomterugstroompad worden voorzien, wat resulteert in een klein lusgebied.

Optische isolatieapparaten of transformatoren kunnen ook worden gebruikt om het signaal te realiseren dat de segmentatiekloof overschrijdt. Voor de eerste is het het optische signaal dat de segmentatiekloof overspant. In het geval van een transformator is het het magnetische veld dat de scheidingsspleet overspant. Differentiële signalen zijn ook mogelijk: signalen stromen van de ene lijn in en keren terug van de andere, in welk geval ze onnodig als terugstroompad worden gebruikt.

Om de interferentie van digitaal signaal op analoog signaal te onderzoeken, moeten we eerst de kenmerken van hoogfrequente stroom begrijpen. Hoogfrequente stroom kiest altijd het pad met de laagste impedantie (inductantie) direct onder het signaal, dus de retourstroom zal door de aangrenzende circuitlaag vloeien, ongeacht of de aangrenzende laag de voedingslaag of de grondlaag is.

In de praktijk heeft het over het algemeen de voorkeur om een ​​uniforme printplaatverdeling in analoge en digitale delen te gebruiken. Analoge signalen worden gerouteerd in het analoge gebied van alle lagen van het bord, terwijl digitale signalen worden gerouteerd in het digitale circuitgebied. In dit geval vloeit de retourstroom van het digitale signaal niet naar de aarde van het analoge signaal.

Interferentie van digitale signalen naar analoge signalen treedt alleen op wanneer de digitale signalen worden gerouteerd over of analoge signalen worden gerouteerd over de digitale delen van de printplaat. Dit probleem is niet te wijten aan het ontbreken van segmentatie, de echte reden is de onjuiste bedrading van digitale signalen.

PCB-ontwerp maakt gebruik van uniforme, via het digitale circuit en analoge circuitpartitie en geschikte signaalbedrading, kan meestal enkele van de moeilijkere lay-out- en bedradingsproblemen oplossen, maar heeft ook geen potentiële problemen veroorzaakt door grondsegmentatie. In dit geval wordt de lay-out en verdeling van componenten cruciaal bij het bepalen van de kwaliteit van het ontwerp. Indien correct aangelegd, zal de digitale aardstroom beperkt zijn tot het digitale deel van het bord en zal het analoge signaal niet interfereren. Dergelijke bedrading moet zorgvuldig worden gecontroleerd en gecontroleerd om 100% naleving van de bedradingsregels te garanderen. Anders zal een onjuiste signaallijn een zeer goede printplaat volledig vernietigen.

Bij het aansluiten van analoge en digitale aardingspinnen van A/D-converters, raden de meeste fabrikanten van A/D-converters aan om de AGND- en DGND-pinnen op dezelfde laagohmige aarde aan te sluiten met behulp van de kortste kabels (Opmerking: Omdat de meeste A/D-converterchips geen analoge en digitale aarde intern met elkaar verbinden, moeten de analoge en digitale aarde via externe pinnen worden verbonden), zal elke externe impedantie die op DGND is aangesloten meer digitale ruis koppelen aan het analoge circuit in het IC via parasitaire capaciteit. Volgens deze aanbeveling moeten zowel de AGND- als de DGND-pinnen van de A/D-omzetter worden aangesloten op de analoge aarde, maar deze benadering roept vragen op, zoals of het aardingseinde van de ontkoppelcondensator voor het digitale signaal moet worden aangesloten op de analoge of digitale aarde.

Als het systeem slechts één A/D-converter heeft, kan het bovenstaande probleem eenvoudig worden opgelost. Zoals weergegeven in figuur 3, is de aarde gesplitst en zijn de analoge en digitale aardesecties met elkaar verbonden onder de A/D-omzetter. Wanneer deze methode wordt toegepast, is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat de brugbreedte tussen de twee locaties gelijk is aan de IC-breedte en dat geen signaallijn de scheidingsopening kan oversteken.

Als het systeem veel A/D-converters heeft, bijvoorbeeld 10 A/D-converters, hoe moet deze dan worden aangesloten? Als onder elke A/D-converter analoge en digitale aarde zijn aangesloten, ontstaat er een meerpuntsverbinding en is de isolatie tussen analoge en digitale aarde zinloos. Doe je dat niet, dan overtreed je de eisen van de fabrikant.

De beste manier is om te beginnen met een uniform. Zoals weergegeven in figuur 4, is de grond uniform verdeeld in analoge en digitale delen. Deze lay-out voldoet niet alleen aan de eisen van fabrikanten van IC-apparaten voor aansluiting met lage impedantie van analoge en digitale aardingspinnen, maar vermijdt ook EMC-problemen veroorzaakt door lusantenne of dipoolantenne.

Als u twijfelt over de uniforme benadering van het ontwerp van mixed-signal PCB’s, kunt u de methode van grondlaagpartitie gebruiken om de hele printplaat in te delen en te routeren. Bij het ontwerp moet er op worden gelet dat de printplaat in het latere experiment gemakkelijk kan worden aangesloten met jumpers of 0 ohm-weerstanden die minder dan 1/2 inch uit elkaar liggen. Besteed aandacht aan zonering en bedrading om ervoor te zorgen dat er zich geen digitale signaallijnen boven het analoge gedeelte op alle lagen bevinden en dat er zich geen analoge signaallijnen boven het digitale gedeelte bevinden. Bovendien mag geen enkele signaallijn de aardingsopening kruisen of de opening tussen de stroombronnen verdelen. Om de functie van de kaart en de EMC-prestaties te testen, test u de functie en de EMC-prestaties van de kaart opnieuw door de twee verdiepingen met elkaar te verbinden via een weerstand of jumper van 0 ohm. Bij vergelijking van de testresultaten bleek dat in bijna alle gevallen de uniforme oplossing superieur was in termen van functionaliteit en EMC-prestaties in vergelijking met de gesplitste oplossing.

Werkt de methode om het land te verdelen nog?

Deze benadering kan in drie situaties worden gebruikt: sommige medische apparaten vereisen een zeer lage lekstroom tussen circuits en systemen die op de patiënt zijn aangesloten; De uitvoer van sommige industriële procesbesturingsapparatuur kan zijn aangesloten op luidruchtige en krachtige elektromechanische apparatuur; Een ander geval is wanneer de LAY-OUT van de print onderworpen is aan specifieke beperkingen.

Er zijn meestal afzonderlijke digitale en analoge voedingen op een printplaat met gemengd signaal die een gesplitst voedingsvlak kunnen en moeten hebben. De signaallijnen naast de voedingslaag kunnen de opening tussen de voedingen echter niet oversteken, en alle signaallijnen die de opening oversteken, moeten zich op de circuitlaag naast het grote gebied bevinden. In sommige gevallen kan de analoge voeding worden ontworpen met PCB-aansluitingen in plaats van met één zijde om splitsing van de voedingszijde te voorkomen.

Partitieontwerp van PCB met gemengd signaal

PCB-ontwerp met gemengd signaal is een complex proces, het ontwerpproces moet aandacht besteden aan de volgende punten:

1. Verdeel de printplaat in aparte analoge en digitale delen.

2. Correcte componentenlay-out.

3. A/D-converter wordt over partities geplaatst.

4. Verdeel de grond niet. Het analoge deel en het digitale deel van de printplaat zijn uniform gelegd.

5. In alle lagen van het bord kan het digitale signaal alleen in het digitale deel van het bord worden gerouteerd.

6. In alle lagen van het bord kunnen analoge signalen alleen in het analoge deel van het bord worden gerouteerd.

7. Analoge en digitale stroomscheiding.

8. De bedrading mag de opening tussen de gesplitste voedingsoppervlakken niet overspannen.

9. De signaallijnen die de opening tussen de gesplitste voedingen moeten overspannen, moeten zich op de bedradingslaag naast een groot gebied bevinden.

10. Analyseer het werkelijke pad en de modus van de aardstroom.

11. Gebruik de juiste bedradingsregels.