Resumo: O projeto do circuito de sinal misto PCB é muito complicado. O layout e a fiação dos componentes e o processamento da fonte de alimentação e do fio terra afetarão diretamente o desempenho do circuito e o desempenho da compatibilidade eletromagnética. O projeto de partição de aterramento e alimentação apresentado neste artigo pode otimizar o desempenho de circuitos de sinais mistos.

Como reduzir a interferência mútua entre o sinal digital e o sinal analógico? Antes de projetar, devemos entender os dois princípios básicos de compatibilidade eletromagnética (EMC): O primeiro princípio é minimizar a área do loop de corrente; o segundo princípio é que o sistema usa apenas uma superfície de referência. Pelo contrário, se o sistema tiver dois planos de referência, é possível formar uma antena dipolo (Nota: o tamanho da radiação de uma pequena antena dipolo é proporcional ao comprimento da linha, à quantidade de corrente que flui e à frequência); e se o sinal não pode passar tanto quanto possível O retorno de um pequeno loop pode formar uma grande antena de loop (Nota: o tamanho da radiação de uma pequena antena de loop é proporcional à área do loop, a corrente fluindo através do loop e o quadrado da frequência). Evite essas duas situações tanto quanto possível no design.

Sugere-se separar o aterramento digital e o aterramento analógico na placa de circuito de sinais mistos, de forma que o isolamento entre o aterramento digital e o aterramento analógico possa ser alcançado. Embora esse método seja viável, existem muitos problemas potenciais, especialmente em sistemas complexos de grande escala. O problema mais crítico é que ele não pode ser direcionado através da lacuna da divisão. Uma vez que a lacuna de divisão seja roteada, a radiação eletromagnética e a diafonia do sinal aumentarão drasticamente. O problema mais comum no projeto de PCB é que a linha de sinal cruza o solo dividido ou a fonte de alimentação e gera problemas de EMI.

Como obter design de partição de PCB de sinal misto

Conforme mostrado na Figura 1, usamos o método de divisão mencionado acima, e a linha de sinal cruza a lacuna entre os dois terrenos. Qual é o caminho de retorno da corrente do sinal? Supondo que os dois aterramentos divididos estejam conectados em algum lugar (geralmente uma conexão de ponto único em um determinado local), neste caso, a corrente de aterramento formará um grande loop. A corrente de alta frequência que flui através do grande loop gera radiação e alta indutância de terra. Se a corrente analógica de baixo nível flui através do grande loop, a corrente é facilmente interferida por sinais externos. O pior é que quando os aterramentos divididos são conectados juntos na fonte de alimentação, um loop de corrente muito grande será formado. Além disso, o aterramento analógico e o aterramento digital são conectados por um longo fio para formar uma antena dipolo.

Compreender o caminho e o método de retorno da corrente ao terra é a chave para otimizar o design da placa de circuito de sinais mistos. Muitos engenheiros de projeto consideram apenas para onde a corrente do sinal flui e ignoram o caminho específico da corrente. Se a camada do solo deve ser dividida, e a fiação deve ser roteada através da lacuna entre as divisões, uma conexão de ponto único pode ser feita entre os aterramentos divididos para formar uma ponte de conexão entre os dois aterramentos e, em seguida, a fiação através da ponte de conexão . Desta forma, um caminho de retorno de corrente contínua pode ser fornecido sob cada linha de sinal, de modo que a área de loop formada seja pequena.

O uso de dispositivos de isolamento óptico ou transformadores também pode atingir o sinal através da lacuna de segmentação. Para o primeiro, é o sinal óptico que atravessa a lacuna de segmentação; no caso de um transformador, é o campo magnético que atravessa a lacuna de segmentação. Outro método viável é usar sinais diferenciais: o sinal flui de uma linha e retorna de outra linha de sinal. Nesse caso, o aterramento não é necessário como caminho de retorno.

Para explorar profundamente a interferência dos sinais digitais nos sinais analógicos, devemos primeiro entender as características das correntes de alta frequência. Para correntes de alta frequência, sempre escolha o caminho com a menor impedância (menor indutância) e diretamente abaixo do sinal, de modo que a corrente de retorno flua através da camada de circuito adjacente, independentemente de a camada adjacente ser a camada de energia ou a camada de solo .

No trabalho real, é geralmente inclinado a usar um solo unificado e dividir o PCB em uma parte analógica e uma parte digital. O sinal analógico é roteado na área analógica de todas as camadas da placa de circuito e o sinal digital é roteado na área do circuito digital. Nesse caso, a corrente de retorno do sinal digital não fluirá para o aterramento do sinal analógico.

Somente quando o sinal digital está conectado na parte analógica da placa de circuito ou o sinal analógico está conectado na parte digital da placa de circuito, a interferência do sinal digital no sinal analógico aparecerá. Esse tipo de problema não ocorre porque não há aterramento dividido, o verdadeiro motivo é a fiação inadequada do sinal digital.

O design de PCB adota aterramento unificado, através de circuito digital e partição de circuito analógico e fiação de sinal apropriada, geralmente pode resolver alguns problemas de layout e fiação mais difíceis e, ao mesmo tempo, não causará alguns problemas potenciais causados ​​pela divisão de aterramento. Nesse caso, o layout e o particionamento dos componentes tornam-se a chave para determinar os prós e os contras do design. Se o layout for razoável, a corrente de aterramento digital será limitada à parte digital da placa de circuito e não interferirá no sinal analógico. Essa fiação deve ser cuidadosamente inspecionada e verificada para garantir que as regras de fiação sejam 100% cumpridas. Caso contrário, o roteamento impróprio de uma linha de sinal destruirá completamente uma placa de circuito muito boa.

Ao conectar os pinos de aterramento analógico e digital do conversor A / D juntos, a maioria dos fabricantes de conversores A / D sugere: Conecte os pinos AGND e DGND ao mesmo aterramento de baixa impedância através do cabo mais curto. (Observação: como a maioria dos chips conversores A / D não conecta o aterramento analógico e o aterramento digital juntos, o aterramento analógico e digital deve ser conectado por meio de pinos externos.) Qualquer impedância externa conectada ao DGND passará pela capacitância parasita. Mais ruído digital é acoplado aos circuitos analógicos dentro do IC. De acordo com esta recomendação, você precisa conectar os pinos AGND e DGND do conversor A / D ao aterramento analógico, mas este método causará problemas como se o terminal de aterramento do capacitor de desacoplamento do sinal digital deve ser conectado ao aterramento analógico ou o terreno digital.

Como obter design de partição de PCB de sinal misto

Se o sistema tiver apenas um conversor A / D, os problemas acima podem ser facilmente resolvidos. Conforme mostrado na Figura 3, divida o aterramento e conecte o aterramento analógico e o aterramento digital juntos sob o conversor A / D. Ao adotar este método, é necessário garantir que a largura da ponte de conexão entre os dois aterramentos seja igual à largura do CI e que qualquer linha de sinal não possa cruzar a lacuna de divisão.

Se houver muitos conversores A / D no sistema, por exemplo, como conectar 10 conversores A / D? Se o aterramento analógico e o aterramento digital forem conectados juntos em cada conversor A / D, a conexão multiponto será gerada e o isolamento entre o aterramento analógico e o aterramento digital não terá sentido. Se você não conectar dessa forma, isso violará os requisitos do fabricante.