Streszczenie: Projekt obwodu mieszanego sygnału PCB jest bardzo skomplikowana. Układ i okablowanie komponentów oraz przetwarzanie zasilania i przewodu uziemiającego bezpośrednio wpłynie na wydajność obwodu i wydajność kompatybilności elektromagnetycznej. Przedstawiony w tym artykule projekt podziału uziemienia i zasilania może zoptymalizować działanie obwodów mieszanych sygnałów.

Jak zmniejszyć wzajemne interferencje między sygnałem cyfrowym a sygnałem analogowym? Przed projektowaniem musimy zrozumieć dwie podstawowe zasady kompatybilności elektromagnetycznej (EMC): Pierwsza zasada to minimalizacja obszaru pętli prądowej; druga zasada jest taka, że ​​system wykorzystuje tylko jedną powierzchnię odniesienia. Wręcz przeciwnie, jeśli system ma dwie płaszczyzny odniesienia, możliwe jest utworzenie anteny dipolowej (Uwaga: wielkość promieniowania małej anteny dipolowej jest proporcjonalna do długości linii, ilości płynącego prądu i częstotliwości); i jeśli sygnał nie może przejść tak dużo, jak to możliwe Powrót małej pętli może tworzyć dużą antenę pętlową (Uwaga: wielkość promieniowania małej anteny pętlowej jest proporcjonalna do powierzchni pętli, prądu przepływającego przez pętlę i kwadratu częstotliwości). Unikaj tych dwóch sytuacji w miarę możliwości w projekcie.

Zaleca się odseparowanie uziemienia cyfrowego i uziemienia analogowego na płytce obwodu mieszanego sygnału, aby można było uzyskać izolację między uziemieniem cyfrowym a uziemieniem analogowym. Chociaż ta metoda jest wykonalna, istnieje wiele potencjalnych problemów, zwłaszcza w złożonych systemach o dużej skali. Najbardziej krytycznym problemem jest to, że nie można go poprowadzić przez lukę podziału. Gdy luka podziału zostanie poprowadzona, promieniowanie elektromagnetyczne i przesłuch sygnału gwałtownie wzrosną. Najczęstszym problemem w projektowaniu PCB jest to, że linia sygnałowa przecina podzieloną masę lub zasilanie i generuje problemy EMI.

Jak osiągnąć projekt partycji na płytce drukowanej z mieszanym sygnałem?

Jak pokazano na rysunku 1, stosujemy wspomnianą wyżej metodę podziału, a linia sygnału przecina lukę między dwoma masami. Jaka jest droga powrotna prądu sygnału? Zakładając, że dwie rozdzielone masy są gdzieś połączone (zazwyczaj połączenie jednopunktowe w określonym miejscu), w tym przypadku prąd doziemny utworzy dużą pętlę. Przepływający przez dużą pętlę prąd o wysokiej częstotliwości generuje promieniowanie i wysoką indukcyjność doziemną. Jeśli prąd analogowy niskiego poziomu przepływa przez dużą pętlę, prąd jest łatwo zakłócany przez sygnały zewnętrzne. Najgorsze jest to, że gdy rozdzielone masy zostaną połączone ze sobą na zasilaczu, powstanie bardzo duża pętla prądowa. Ponadto uziemienie analogowe i uziemienie cyfrowe są połączone długim przewodem, tworząc antenę dipolową.

Zrozumienie ścieżki i metody powrotu prądu do ziemi jest kluczem do optymalizacji projektowania płytek obwodów mieszanych. Wielu inżynierów projektowych bierze pod uwagę tylko to, gdzie płynie prąd sygnału, i ignoruje określoną ścieżkę prądu. Jeśli warstwa uziemienia musi być podzielona, ​​a okablowanie musi być poprowadzone przez szczelinę między przegrodami, można wykonać połączenie jednopunktowe między podzielonymi uziemieniami, aby utworzyć mostek łączący te dwa uziemienia, a następnie okablować przez mostek połączeniowy . W ten sposób pod każdą linią sygnałową można zapewnić ścieżkę powrotną prądu stałego, dzięki czemu utworzony obszar pętli jest niewielki.

Zastosowanie urządzeń izolujących optycznie lub transformatorów może również uzyskać sygnał w całej szczelinie segmentacyjnej. W przypadku tych pierwszych to sygnał optyczny przekracza przerwę segmentacyjną; w przypadku transformatora to pole magnetyczne przekracza szczelinę segmentacyjną. Inną możliwą metodą jest użycie sygnałów różnicowych: sygnał napływa z jednej linii i powraca z innej linii sygnałowej. W tym przypadku ziemia nie jest potrzebna jako droga powrotna.

Aby dogłębnie zbadać interferencję sygnałów cyfrowych z sygnałami analogowymi, musimy najpierw zrozumieć charakterystykę prądów o wysokiej częstotliwości. W przypadku prądów o wysokiej częstotliwości należy zawsze wybierać ścieżkę o najmniejszej impedancji (najniższej indukcyjności) i bezpośrednio pod sygnałem, aby prąd powrotny płynął przez sąsiednią warstwę obwodu, niezależnie od tego, czy sąsiednia warstwa jest warstwą mocy, czy warstwą uziemienia .

W rzeczywistej pracy jest zwykle skłonny do korzystania z jednolitego uziemienia i dzielenia płytki drukowanej na część analogową i część cyfrową. Sygnał analogowy jest kierowany w obszarze analogowym wszystkich warstw płytki drukowanej, a sygnał cyfrowy jest kierowany w obszarze obwodu cyfrowego. W takim przypadku prąd powrotny sygnału cyfrowego nie popłynie do masy sygnału analogowego.

Tylko wtedy, gdy sygnał cyfrowy jest podłączony do analogowej części płytki drukowanej lub sygnał analogowy jest podłączony do cyfrowej części płytki drukowanej, pojawi się interferencja sygnału cyfrowego z sygnałem analogowym. Ten rodzaj problemu nie występuje, ponieważ nie ma podzielonego uziemienia, prawdziwym powodem jest niewłaściwe okablowanie sygnału cyfrowego.

Konstrukcja PCB przyjmuje zunifikowane uziemienie, poprzez podział obwodu cyfrowego i analogowego oraz odpowiednie okablowanie sygnałowe, zwykle może rozwiązać niektóre trudniejsze problemy z układem i okablowaniem, a jednocześnie nie spowoduje potencjalnych problemów spowodowanych podziałem uziemienia. W takim przypadku układ i podział komponentów staje się kluczem do określenia zalet i wad projektu. Jeśli układ jest rozsądny, cyfrowy prąd uziemienia będzie ograniczony do cyfrowej części płytki drukowanej i nie będzie zakłócał sygnału analogowego. Takie okablowanie musi być dokładnie sprawdzone i zweryfikowane, aby upewnić się, że zasady dotyczące okablowania są w 100% przestrzegane. W przeciwnym razie niewłaściwe poprowadzenie linii sygnałowej całkowicie zniszczy skądinąd bardzo dobrą płytkę drukowaną.

Większość producentów przetworników analogowo-cyfrowych podczas łączenia styków uziemienia analogowego i cyfrowego przetwornika A/D sugeruje: Podłącz kołki AGND i DGND do tego samego uziemienia o niskiej impedancji za pomocą najkrótszego przewodu. (Uwaga: Ponieważ większość układów przetworników A/C nie łączy razem uziemienia analogowego i uziemienia cyfrowego, uziemienie analogowe i cyfrowe musi być połączone przez zewnętrzne styki.) Każda zewnętrzna impedancja podłączona do DGND przekaże pojemność pasożytniczą. Więcej szumów cyfrowych jest sprzężonych z obwodami analogowymi wewnątrz układu scalonego. Zgodnie z tym zaleceniem należy połączyć piny AGND i DGND przetwornika A/C z masą analogową, ale ta metoda spowoduje problemy np. czy zacisk masy kondensatora odsprzęgającego sygnał cyfrowy powinien być podłączony do masy analogowej lub ziemia cyfrowa.

Jak osiągnąć projekt partycji na płytce drukowanej z mieszanym sygnałem?

Jeśli system posiada tylko jeden przetwornik A/D, powyższe problemy można łatwo rozwiązać. Jak pokazano na rysunku 3, podziel uziemienie i połącz razem uziemienie analogowe i cyfrowe pod przetwornikiem A/D. Przyjmując tę ​​metodę, konieczne jest zapewnienie, że szerokość mostka łączącego między dwoma uziemieniami jest taka sama jak szerokość układu scalonego, a żadna linia sygnałowa nie może przekroczyć szczeliny podziału.

Jeżeli w systemie jest wiele przetworników A/D, np. jak podłączyć 10 przetworników A/D? Jeśli uziemienie analogowe i uziemienie cyfrowe są połączone ze sobą pod każdym przetwornikiem A/C, generowane jest połączenie wielopunktowe, a izolacja między uziemieniem analogowym a uziemieniem cyfrowym jest bez znaczenia. Jeśli nie łączysz się w ten sposób, narusza to wymagania producenta.