PCB o projeto de um circuito de sinal misto 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 fonte de alimentação apresentado neste artigo pode otimizar o desempenho de circuitos de sinais mistos.

Como reduzir a interferência entre os sinais digitais e analógicos? Dois princípios básicos de compatibilidade eletromagnética (EMC) devem ser compreendidos antes do projeto: o primeiro princípio é minimizar a área do loop de corrente; O segundo princípio é que o sistema usa apenas um plano de referência. Pelo contrário, se o sistema tiver dois planos de referência, é possível formar uma antena dipolo (nota: a radiação de uma pequena antena dipolo é proporcional ao comprimento da linha, à quantidade de corrente que flui e à frequência). Se o sinal não retornar pelo menor loop possível, uma grande antena circular pode ser formada. Evite ambos em seu design, tanto quanto possível.

Foi sugerido separar o aterramento digital e o aterramento analógico na placa de circuito de sinais mistos para obter o isolamento entre o aterramento digital e o aterramento analógico. Embora essa abordagem seja viável, ela tem muitos problemas potenciais, especialmente em sistemas grandes e complexos. O problema mais crítico é não cruzar a fiação de gap de partição, uma vez cruzada a fiação de gap de partição, a radiação eletromagnética e a diafonia de sinal aumentarão dramaticamente. O problema mais comum no projeto de PCB é o problema de EMI causado pela linha de sinal cruzando o solo ou a fonte de alimentação.

Conforme mostrado na Figura 1, usamos o método de segmentação acima, e a linha de sinal abrange a lacuna entre os dois aterramentos, qual é o caminho de retorno da corrente de sinal? Suponha que os dois terrenos particionados estejam conectados em algum ponto (geralmente um único ponto em um ponto), caso em que a corrente de terra formará um grande loop. A corrente de alta frequência que flui através do grande loop irá gerar radiação e alta indutância de terra. Se a corrente analógica de baixo nível fluindo através do grande loop é fácil ser interferida por sinais externos. O pior é que quando as seções são conectadas na fonte de alimentação, um grande loop de corrente é formado. Além disso, os aterramentos analógico e digital conectados por um longo fio formam uma antena dipolo.

Compreender o caminho e o modo do refluxo da corrente para o solo é a chave para otimizar o design da placa de circuito de sinais mistos. Muitos engenheiros de projeto consideram apenas para onde flui a corrente do sinal, ignorando o caminho específico da corrente. Se a camada de solo deve ser particionada e deve ser roteada através da lacuna entre as partições, uma conexão de ponto único pode ser feita entre o solo particionado para formar uma ponte de conexão entre as duas camadas de solo e então roteada através da ponte de conexão. Desta forma, um caminho de refluxo de corrente contínua pode ser fornecido abaixo de cada linha de sinal, resultando em uma pequena área de loop.

Dispositivos de isolamento óptico ou transformadores também podem ser usados ​​para perceber o sinal que cruza a 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 abrange a lacuna da partição. Sinais diferenciais também são possíveis: os sinais fluem de uma linha e retornam da outra, caso em que são usados ​​como caminhos de refluxo desnecessariamente.

Para explorar a interferência do sinal digital ao sinal analógico, devemos primeiro entender as características da corrente de alta frequência. A corrente de alta frequência sempre escolhe o caminho com a impedância mais baixa (indutância) diretamente abaixo do sinal, de modo que a corrente de retorno fluirá através da camada de circuito adjacente, independentemente se a camada adjacente é a camada de fonte de alimentação ou a camada de solo.

Na prática, geralmente é preferível usar uma partição PCB uniforme em partes analógicas e digitais. Os sinais analógicos são roteados na região analógica de todas as camadas da placa, enquanto os sinais digitais são roteados na região do circuito digital. Nesse caso, a corrente de retorno do sinal digital não flui para o solo do sinal analógico.

A interferência de sinais digitais em sinais analógicos ocorre apenas quando os sinais digitais são roteados ou os sinais analógicos são roteados pelas partes digitais da placa de circuito. Esse problema não é devido à falta de segmentação, o verdadeiro motivo é a fiação inadequada dos sinais digitais.

O projeto de PCB usa unificado, através do circuito digital e partição de circuito analógico e fiação de sinal apropriada, geralmente pode resolver alguns dos problemas de layout e fiação mais difíceis, mas também não tem alguns problemas potenciais causados ​​pela segmentação do solo. Nesse caso, o layout e o particionamento dos componentes tornam-se críticos para determinar a qualidade do design. Se estiver bem disposta, a corrente de aterramento digital será limitada à parte digital da placa e não interferirá no sinal analógico. Essa fiação deve ser cuidadosamente verificada e verificada para garantir 100% de conformidade com as regras de fiação. Caso contrário, uma linha de sinal inadequada destruirá completamente uma placa de circuito muito boa.

Ao conectar os pinos de aterramento analógico e digital de conversores A / D juntos, a maioria dos fabricantes de conversores A / D recomenda conectar os pinos AGND e DGND ao mesmo aterramento de baixa impedância usando os terminais mais curtos (Nota: Como a maioria dos chips conversores A / D não conectam aterramento analógico e digital juntos internamente, o aterramento analógico e digital deve ser conectado por meio de pinos externos), qualquer impedância externa conectada ao DGND acoplará mais ruído digital ao circuito analógico dentro do IC via parasita capacitância. Seguindo essa recomendação, os pinos AGND e DGND do conversor A / D precisam ser conectados ao aterramento analógico, mas essa abordagem levanta questões como se a extremidade do aterramento do capacitor de desacoplamento do sinal digital deve ser conectada ao aterramento analógico ou digital.

Se o sistema tiver apenas um conversor A / D, o problema acima pode ser facilmente resolvido. Conforme mostrado na Figura 3, o aterramento é dividido e as seções de aterramento analógico e digital são conectadas juntas sob o conversor A / D. Quando este método é adotado, é necessário garantir que a largura da ponte entre os dois locais seja igual à largura do IC e que nenhuma linha de sinal possa cruzar a lacuna de partição.

Se o sistema tiver muitos conversores A / D, por exemplo, 10 conversores A / D, como conectar? Se o aterramento analógico e digital forem conectados em cada conversor A / D, uma conexão multiponto resultará e o isolamento entre o aterramento analógico e digital não terá sentido. Caso contrário, você violará os requisitos do fabricante.

A melhor maneira é começar com um uniforme. Conforme mostrado na Figura 4, o solo é uniformemente dividido em partes analógicas e digitais. Este layout não apenas atende aos requisitos dos fabricantes de dispositivos IC para conexão de baixa impedância de pinos de aterramento analógicos e digitais, mas também evita problemas de EMC causados ​​por antena de quadro ou antena dipolo.

Se você tiver dúvidas sobre a abordagem unificada do projeto de PCB de sinal misto, pode usar o método de partição da camada do solo para distribuir e rotear toda a placa de circuito. No projeto, deve-se prestar atenção para tornar a placa de circuito fácil de ser conectada com jumpers ou resistores de 0 ohm com espaçamento inferior a 1/2 polegada no experimento posterior. Preste atenção ao zoneamento e à fiação para garantir que nenhuma linha de sinal digital esteja acima da seção analógica em todas as camadas e que nenhuma linha de sinal analógico esteja acima da seção digital. Além disso, nenhuma linha de sinal deve cruzar a lacuna de aterramento ou dividir a lacuna entre as fontes de energia. Para testar a função da placa e o desempenho EMC, teste novamente a função da placa e o desempenho EMC conectando os dois andares por meio de um resistor de 0 ohm ou jumper. Comparando os resultados do teste, verificou-se que, em quase todos os casos, a solução unificada foi superior em termos de funcionalidade e desempenho EMC em comparação com a solução dividida.

O método de divisão da terra ainda funciona?

Essa abordagem pode ser usada em três situações: alguns dispositivos médicos requerem corrente de fuga muito baixa entre circuitos e sistemas conectados ao paciente; A saída de alguns equipamentos de controle de processos industriais pode ser conectada a equipamentos eletromecânicos barulhentos e de alta potência; Outro caso é quando o LAYOUT do PCB está sujeito a restrições específicas.

Normalmente existem fontes de alimentação digitais e analógicas separadas em uma placa PCB de sinal misto que pode e deve ter uma face de fonte de alimentação dividida. No entanto, as linhas de sinal adjacentes à camada de fonte de alimentação não podem cruzar a lacuna entre as fontes de alimentação e todas as linhas de sinal que cruzam a lacuna devem estar localizadas na camada de circuito adjacente à grande área. Em alguns casos, a fonte de alimentação analógica pode ser projetada com conexões PCB em vez de uma face para evitar divisão da face de alimentação.

Design de partição de PCB de sinal misto

O projeto de PCB de sinal misto é um processo complexo, o processo de projeto deve prestar atenção aos seguintes pontos:

1. Divida o PCB em partes analógicas e digitais separadas.

2. Layout adequado dos componentes.

3. O conversor A / D é colocado nas partições.

4. Não divida o terreno. A parte analógica e a parte digital da placa de circuito são colocadas uniformemente.

5. Em todas as camadas da placa, o sinal digital só pode ser roteado na parte digital da placa.

6. Em todas as camadas da placa, os sinais analógicos só podem ser roteados na parte analógica da placa.

7. Separação de energia analógica e digital.

8. A fiação não deve abranger o espaço entre as superfícies da fonte de alimentação dividida.

9. As linhas de sinal que devem abranger a lacuna entre as fontes de alimentação divididas devem estar localizadas na camada de fiação adjacente a uma grande área.

10. Analise o caminho real e o modo de fluxo da corrente de terra.

11. Use regras de fiação corretas.