Cum se realizează proiectarea partiției PCB cu semnal mixt?

Rezumat: Proiectarea circuitului cu semnal mixt PCB este foarte complicat. Dispunerea și cablarea componentelor și procesarea sursei de alimentare și a firului de împământare vor afecta direct performanța circuitului și performanța compatibilității electromagnetice. Designul partiției de masă și putere introdus în acest articol poate optimiza performanța circuitelor cu semnal mixt.

ipcb

Cum să reduceți interferența reciprocă dintre semnalul digital și semnalul analogic? Înainte de proiectare, trebuie să înțelegem cele două principii de bază ale compatibilității electromagnetice (EMC): Primul principiu este de a minimiza aria buclei de curent; al doilea principiu este că sistemul utilizează o singură suprafață de referință. Dimpotrivă, dacă sistemul are două plane de referință, este posibil să se formeze o antenă dipol (Notă: mărimea radiației unei antene dipol mici este proporțională cu lungimea liniei, cantitatea de curent care curge și frecvența); iar dacă semnalul nu poate trece cât mai mult posibil Revenirea unei bucle mici poate forma o antenă buclă mare (Notă: dimensiunea radiației unei antene bucle mici este proporțională cu aria buclei, curentul care curge prin buclă și pătratul a frecvenței). Evitați pe cât posibil aceste două situații în design.

Se sugerează să se separe pământul digital și pământul analogic pe placa de circuite cu semnal mixt, astfel încât să se poată realiza izolarea între pământul digital și pământul analogic. Deși această metodă este fezabilă, există multe probleme potențiale, în special în sistemele complexe la scară largă. Cea mai critică problemă este că nu poate fi direcționată peste decalajul de diviziune. Odată direcționată decalajul de diviziune, radiația electromagnetică și diafonia semnalului vor crește brusc. Cea mai comună problemă în proiectarea PCB-ului este că linia de semnal traversează împământul sau sursa de alimentare divizată și generează probleme EMI.

Cum se realizează proiectarea partiției a PCB-ului cu semnal mixt

După cum se arată în Figura 1, folosim metoda de împărțire menționată mai sus, iar linia de semnal traversează decalajul dintre cele două baze. Care este calea de întoarcere a curentului de semnal? Presupunând că cele două împământări care sunt împărțite sunt conectate împreună undeva (de obicei, o conexiune cu un singur punct într-o anumită locație), în acest caz, curentul de masă va forma o buclă mare. Curentul de înaltă frecvență care curge prin bucla mare generează radiații și inductanță mare la sol. Dacă curentul analogic de nivel scăzut trece prin bucla mare, curentul este ușor interferat de semnale externe. Cel mai rău lucru este că atunci când împământurile împărțite sunt conectate împreună la sursa de alimentare, se va forma o buclă de curent foarte mare. În plus, pământul analogic și pământul digital sunt conectate printr-un fir lung pentru a forma o antenă dipol.

Înțelegerea căii și metodei de întoarcere a curentului la masă este cheia optimizării designului plăcii de circuite cu semnal mixt. Mulți ingineri de proiectare iau în considerare numai unde curge curentul semnalului și ignoră calea specifică a curentului. Dacă stratul de împământare trebuie împărțit, iar cablajul trebuie direcționat prin golul dintre diviziuni, se poate face o conexiune într-un singur punct între împământarea împărțită pentru a forma o punte de conectare între cele două împămânări și apoi cablarea prin puntea de conectare. . În acest fel, sub fiecare linie de semnal poate fi prevăzută o cale de întoarcere a curentului continuu, astfel încât zona buclei formată să fie mică.

Utilizarea dispozitivelor de izolare optică sau a transformatoarelor poate obține, de asemenea, semnalul peste intervalul de segmentare. Pentru primul, este semnalul optic care traversează decalajul de segmentare; în cazul unui transformator, câmpul magnetic este cel care traversează golul de segmentare. O altă metodă fezabilă este utilizarea semnalelor diferențiale: semnalul curge de la o linie și se întoarce de la o altă linie de semnal. În acest caz, solul nu este necesar ca cale de întoarcere.

Pentru a explora în profunzime interferența semnalelor digitale cu semnalele analogice, trebuie mai întâi să înțelegem caracteristicile curenților de înaltă frecvență. Pentru curenții de înaltă frecvență, alegeți întotdeauna calea cu cea mai mică impedanță (cea mai mică inductanță) și direct sub semnal, astfel încât curentul de retur va curge prin stratul de circuit adiacent, indiferent dacă stratul adiacent este stratul de putere sau stratul de masă .

În munca efectivă, este în general înclinat să utilizeze o masă unificată și să împartă PCB-ul într-o parte analogică și o parte digitală. Semnalul analogic este direcționat în zona analogică a tuturor straturilor plăcii de circuit, iar semnalul digital este direcționat în zona circuitului digital. În acest caz, curentul de returnare a semnalului digital nu va curge în masa semnalului analogic.

Numai când semnalul digital este conectat la partea analogică a plăcii de circuit sau semnalul analogic este conectat pe partea digitală a plăcii de circuit, interferența semnalului digital la semnalul analogic va apărea. Acest tip de problemă nu apare deoarece nu există împământare împărțită, motivul real este cablarea necorespunzătoare a semnalului digital.

Designul PCB adoptă pământ unificat, prin circuit digital și partiție analogică și cablare adecvată a semnalului, de obicei poate rezolva unele probleme mai dificile de aranjare și cablare și, în același timp, nu va cauza unele probleme potențiale cauzate de diviziunea la sol. În acest caz, aspectul și împărțirea componentelor devin cheia pentru a determina avantajele și dezavantajele designului. Dacă aspectul este rezonabil, curentul digital de masă va fi limitat la partea digitală a plăcii de circuit și nu va interfera cu semnalul analogic. Un astfel de cablaj trebuie inspectat și verificat cu atenție pentru a se asigura că regulile de cablare sunt respectate 100%. În caz contrar, rutarea necorespunzătoare a unei linii de semnal va distruge complet o placă de circuite, altfel foarte bună.

Când conectați împreună pinii de împământare analogic și digital ai convertorului A/D, majoritatea producătorilor de convertoare A/D sugerează: Conectați pinii AGND și DGND la aceeași masă de impedanță scăzută prin cel mai scurt cablu. (Notă: Deoarece majoritatea cipurilor convertoare A/D nu conectează împământul analogic și împământul digital împreună, împământarea analogică și digitală trebuie conectate prin pini externi.) Orice impedanță externă conectată la DGND va trece capacitatea parazită. Mai mult zgomot digital este cuplat la circuitele analogice din interiorul IC. Conform acestei recomandări, trebuie să conectați pinii AGND și DGND ai convertorului A/D la masă analogică, dar această metodă va cauza probleme, cum ar fi dacă borna de masă a condensatorului de decuplare a semnalului digital trebuie conectată la masă analogică. sau pământul digital.

Cum se realizează proiectarea partiției a PCB-ului cu semnal mixt

Dacă sistemul are un singur convertor A/D, problemele de mai sus pot fi rezolvate cu ușurință. După cum se arată în Figura 3, împărțiți pământul și conectați împământul analogic și împământul digital împreună sub convertorul A/D. Atunci când se adoptă această metodă, este necesar să se asigure că lățimea podului de conectare dintre cele două împământare este aceeași cu lățimea IC și orice linie de semnal nu poate traversa decalajul de diviziune.

Dacă există multe convertoare A/D în sistem, de exemplu, cum să conectați 10 convertoare A/D? Dacă împământarea analogică și împământarea digitală sunt conectate împreună sub fiecare convertor A/D, este generată o conexiune în mai multe puncte, iar izolarea dintre împământarea analogică și masa digitală este lipsită de sens. Dacă nu vă conectați în acest fel, încalcă cerințele producătorului.