PCB projekt obwodu sygnału mieszanego jest bardzo skomplikowany. Układ i okablowanie komponentów oraz przetwarzanie zasilania i przewodu uziemiającego będą miały bezpośredni wpływ na wydajność obwodu i wydajność kompatybilności elektromagnetycznej. Przedstawiony w niniejszym artykule projekt podziału uziemienia i zasilania może zoptymalizować działanie obwodów mieszanych sygnałów.

Jak zmniejszyć zakłócenia między sygnałami cyfrowymi i analogowymi? Przed projektowaniem należy zrozumieć dwie podstawowe zasady kompatybilności elektromagnetycznej (EMC): pierwsza zasada to minimalizacja obszaru pętli prądowej; Drugą zasadą jest to, że system wykorzystuje tylko jedną płaszczyznę odniesienia. Wręcz przeciwnie, jeśli system ma dwie płaszczyzny odniesienia, możliwe jest utworzenie anteny dipolowej (uwaga: promieniowanie małej anteny dipolowej jest proporcjonalne do długości linii, ilości płynącego prądu i częstotliwości). Jeśli sygnał nie wraca przez najmniejszą możliwą pętlę, może powstać duża okrągła antena. Unikaj obu w swoim projekcie tak bardzo, jak to możliwe.

Zasugerowano oddzielenie uziemienia cyfrowego i uziemienia analogowego na płytce obwodu sygnału mieszanego, aby uzyskać izolację między uziemieniem cyfrowym a uziemieniem analogowym. Chociaż takie podejście jest wykonalne, ma wiele potencjalnych problemów, zwłaszcza w dużych i złożonych systemach. Najbardziej krytycznym problemem nie jest przekroczenie okablowania szczeliny partycji, po przekroczeniu okablowania szczeliny partycji, promieniowanie elektromagnetyczne i przesłuch sygnału dramatycznie wzrosną. Najczęstszym problemem w projektowaniu PCB jest problem EMI spowodowany przekroczeniem linii sygnału przez ziemię lub zasilanie.

Jak pokazano na rysunku 1, używamy powyższej metody segmentacji, a linia sygnału obejmuje przerwę między dwoma uziemieniami, jaka jest ścieżka powrotna prądu sygnału? Załóżmy, że dwa podzielone grunty są połączone w pewnym punkcie (zwykle w jednym punkcie w jednym punkcie), w którym to przypadku prąd doziemny utworzy dużą pętlę. Prąd o wysokiej częstotliwości płynący przez dużą pętlę będzie generował promieniowanie i wysoką indukcyjność gruntu. Jeśli prąd analogowy o niskim poziomie płynący przez dużą pętlę jest łatwo zakłócany przez sygnały zewnętrzne. Najgorsze jest to, że gdy sekcje są połączone ze sobą przy źródle zasilania, powstaje bardzo duża pętla prądowa. Dodatkowo uziemienie analogowe i cyfrowe połączone długim przewodem tworzą antenę dipolową.

Zrozumienie ścieżki i trybu przepływu prądu wstecznego do ziemi jest kluczem do optymalizacji projektu płytki drukowanej z mieszanym sygnałem. Wielu inżynierów projektowych rozważa tylko, gdzie płynie prąd sygnału, ignorując konkretną ścieżkę prądu. Jeśli warstwa gruntu musi być podzielona i musi być poprowadzona przez szczelinę między ściankami działowymi, można wykonać połączenie jednopunktowe między podzielonym gruntem, aby utworzyć mostek łączący dwie warstwy gruntu, a następnie poprowadzić przez mostek łączący. W ten sposób ścieżka przepływu prądu stałego może być zapewniona poniżej każdej linii sygnałowej, co skutkuje niewielkim obszarem pętli.

Do realizacji sygnału przechodzącego przez szczelinę segmentacji można również zastosować optyczne urządzenia izolacyjne lub transformatory. W przypadku tych pierwszych jest to sygnał optyczny, który obejmuje przerwę segmentacyjną. W przypadku transformatora to pole magnetyczne obejmuje szczelinę przegrody. Możliwe są również sygnały różnicowe: sygnały napływają z jednej linii i wracają z drugiej, w takim przypadku są one niepotrzebnie wykorzystywane jako ścieżki zwrotne.

Aby zbadać interferencję sygnału cyfrowego z sygnałem analogowym, musimy najpierw zrozumieć charakterystykę prądu o wysokiej częstotliwości. Prąd o wysokiej częstotliwości zawsze wybiera ścieżkę o najniższej impedancji (indukcyjności) bezpośrednio pod sygnałem, dzięki czemu prąd powrotny popłynie przez sąsiednią warstwę obwodów, niezależnie od tego, czy sąsiednia warstwa jest warstwą zasilania, czy uziemienia.

W praktyce na ogół preferuje się stosowanie jednolitej partycji PCB na części analogowe i cyfrowe. Sygnały analogowe są kierowane w obszarze analogowym wszystkich warstw płytki, podczas gdy sygnały cyfrowe są kierowane w obszarze obwodu cyfrowego. W tym przypadku prąd powrotny sygnału cyfrowego nie wpływa do masy sygnału analogowego.

Zakłócenia między sygnałami cyfrowymi a sygnałami analogowymi występują tylko wtedy, gdy sygnały cyfrowe są przesyłane lub sygnały analogowe są przesyłane przez cyfrowe części płytki drukowanej. Problem ten nie wynika z braku segmentacji, prawdziwym powodem jest niewłaściwe okablowanie sygnałów cyfrowych.

Konstrukcja PCB wykorzystuje zunifikowane, poprzez obwód cyfrowy i podział obwodów analogowych oraz odpowiednie okablowanie sygnałowe, zwykle może rozwiązać niektóre z trudniejszych problemów związanych z układem i okablowaniem, ale także nie ma potencjalnych problemów spowodowanych segmentacją uziemienia. W takim przypadku układ i podział komponentów staje się krytyczny w określaniu jakości projektu. Przy prawidłowym ułożeniu cyfrowy prąd uziemienia będzie ograniczony do cyfrowej części płytki i nie będzie zakłócał sygnału analogowego. Takie okablowanie musi być dokładnie sprawdzone i sprawdzone, aby zapewnić 100% zgodność z zasadami okablowania. W przeciwnym razie niewłaściwa linia sygnałowa całkowicie zniszczy bardzo dobrą płytkę drukowaną.

Podczas łączenia styków uziemienia analogowego i cyfrowego przetworników A/D większość producentów przetworników A/D zaleca podłączenie styków AGND i DGND do tego samego uziemienia o niskiej impedancji przy użyciu najkrótszych przewodów (Uwaga: Ponieważ większość układów przetworników A/C nie łączy wewnętrznie uziemienia analogowego i cyfrowego, uziemienie analogowe i cyfrowe musi być połączone przez zewnętrzne styki), każda zewnętrzna impedancja podłączona do DGND połączy więcej szumów cyfrowych z obwodem analogowym wewnątrz układu scalonego poprzez pasożytnicze pojemność. Zgodnie z tym zaleceniem zarówno piny AGND, jak i DGND przetwornika analogowo-cyfrowego muszą być podłączone do uziemienia analogowego, ale takie podejście rodzi pytania, na przykład, czy koniec uziemienia kondensatora odsprzęgającego sygnał cyfrowy powinien być podłączony do uziemienia analogowego czy cyfrowego.

Jeśli system posiada tylko jeden przetwornik A/D, powyższy problem można łatwo rozwiązać. Jak pokazano na rysunku 3, uziemienie jest podzielone, a sekcje uziemienia analogowego i cyfrowego są połączone ze sobą pod przetwornikiem A/D. Gdy ta metoda zostanie przyjęta, konieczne jest zapewnienie, że szerokość mostka między dwoma miejscami jest równa szerokości układu scalonego i że żadna linia sygnałowa nie może przekroczyć szczeliny partycji.

Jeśli system ma wiele przetworników A/D, na przykład 10 przetworników A/D, jak podłączyć? Jeśli uziemienie analogowe i cyfrowe zostanie podłączone pod każdym przetwornikiem A/D, powstanie połączenie wielopunktowe, a izolacja między uziemieniem analogowym i cyfrowym będzie bez znaczenia. Jeśli tego nie zrobisz, naruszasz wymagania producenta.

Najlepiej zacząć od munduru. Jak pokazano na rysunku 4, grunt jest równomiernie podzielony na część analogową i cyfrową. Ten układ nie tylko spełnia wymagania producentów urządzeń IC w zakresie połączeń o niskiej impedancji analogowych i cyfrowych styków uziemiających, ale także pozwala uniknąć problemów EMC spowodowanych przez antenę pętlową lub antenę dipolową.

Jeśli masz wątpliwości co do ujednoliconego podejścia do projektowania obwodów mieszanych sygnałów, możesz użyć metody podziału warstwy uziemienia, aby rozłożyć i poprowadzić całą płytkę drukowaną. W projekcie należy zwrócić uwagę, aby w późniejszym eksperymencie łatwo było połączyć płytkę drukowaną za pomocą zworek lub rezystorów 0 omów oddalonych od siebie o mniej niż 1/2 cala. Należy zwrócić uwagę na podział na strefy i okablowanie, aby upewnić się, że żadne cyfrowe linie sygnałowe nie znajdują się nad sekcją analogową we wszystkich warstwach oraz że żadne analogowe linie sygnałowe nie znajdują się nad sekcją cyfrową. Ponadto żadna linia sygnałowa nie powinna przekraczać szczeliny uziemienia ani dzielić szczeliny między źródłami zasilania. Aby przetestować działanie płyty i wydajność EMC, ponownie przetestuj działanie płyty i wydajność EMC, łącząc ze sobą dwie kondygnacje za pomocą rezystora 0 omów lub zworki. Porównując wyniki testów, stwierdzono, że prawie we wszystkich przypadkach zunifikowane rozwiązanie było lepsze pod względem funkcjonalności i wydajności EMC w porównaniu z rozwiązaniem dzielonym.

Czy metoda podziału ziemi nadal działa?

Takie podejście można zastosować w trzech sytuacjach: niektóre urządzenia medyczne wymagają bardzo niskiego prądu upływu między obwodami i systemami podłączonymi do pacjenta; Wyjście niektórych urządzeń do sterowania procesami przemysłowymi może być podłączone do hałaśliwego i dużej mocy sprzętu elektromechanicznego; Innym przypadkiem jest sytuacja, w której UKŁAD PCB podlega określonym ograniczeniom.

Zwykle na płytce PCB z mieszanym sygnałem znajdują się oddzielne zasilacze cyfrowe i analogowe, które mogą i powinny mieć dzieloną powierzchnię zasilania. Jednak linie sygnałowe sąsiadujące z warstwą zasilacza nie mogą przecinać przerwy między zasilaczami, a wszystkie linie sygnałowe, które przecinają tę przerwę, muszą znajdować się w warstwie obwodu sąsiadującej z dużym obszarem. W niektórych przypadkach zasilacz analogowy może być zaprojektowany z połączeniami na płytce drukowanej, a nie z jedną stroną, aby uniknąć rozszczepienia.

Projekt partycji PCB z mieszanym sygnałem

Projektowanie PCB z sygnałami mieszanymi to złożony proces, w procesie projektowania należy zwrócić uwagę na następujące punkty:

1. Podziel płytkę drukowaną na oddzielne części analogowe i cyfrowe.

2. Właściwy układ komponentów.

3. Konwerter A/D jest umieszczony na partycjach.

4. Nie dziel ziemi. Część analogowa i cyfrowa płytki drukowanej są ułożone równomiernie.

5. We wszystkich warstwach płytki sygnał cyfrowy może być kierowany tylko w cyfrowej części płytki.

6. We wszystkich warstwach płytki sygnały analogowe mogą być kierowane tylko w analogowej części płytki.

7. Analogowa i cyfrowa separacja mocy.

8. Okablowanie nie powinno obejmować szczeliny między dzielonymi powierzchniami zasilacza.

9. Linie sygnałowe, które muszą obejmować przerwę między dzielonymi zasilaczami, powinny znajdować się w warstwie okablowania sąsiadującej z dużym obszarem.

10. Przeanalizuj rzeczywistą drogę i tryb przepływu prądu doziemnego.

11. Stosuj prawidłowe zasady okablowania.