печатная плата конструкция схемы смешанного сигнала очень сложна. Компоновка и разводка компонентов, а также обработка источника питания и заземляющего провода напрямую влияют на характеристики схемы и характеристики электромагнитной совместимости. Предлагаемая в этой статье конструкция перегородок заземления и источника питания может оптимизировать работу схем со смешанными сигналами.

Как уменьшить помехи между цифровыми и аналоговыми сигналами? Перед проектированием необходимо понять два основных принципа электромагнитной совместимости (ЭМС): первый принцип – минимизировать площадь токовой петли; Второй принцип заключается в том, что в системе используется только одна опорная плоскость. Напротив, если система имеет две опорные плоскости, можно сформировать дипольную антенну (примечание: излучение небольшой дипольной антенны пропорционально длине линии, величине протекающего тока и частоте). Если сигнал не возвращается через наименьший возможный контур, может быть сформирована большая круглая антенна. По возможности избегайте и того, и другого в своем дизайне.

Было предложено разделить цифровое заземление и аналоговое заземление на печатной плате смешанного сигнала, чтобы обеспечить изоляцию между цифровой землей и аналоговой землей. Хотя этот подход осуществим, он имеет много потенциальных проблем, особенно в больших и сложных системах. Самая важная проблема заключается в том, чтобы не пересечь проводку с зазором перегородки, после пересечения проводки с зазором перегородки резко возрастут электромагнитное излучение и перекрестные помехи между сигналами. Наиболее распространенной проблемой в конструкции печатной платы является проблема электромагнитных помех, вызванная пересечением сигнальной линией земли или источника питания.

Как показано на рисунке 1, мы используем описанный выше метод сегментации, и сигнальная линия охватывает промежуток между двумя землями. Каков обратный путь сигнального тока? Предположим, что две разделенные земли соединены в какой-то точке (обычно одна точка в одной точке), и в этом случае ток земли образует большую петлю. Высокочастотный ток, протекающий через большой контур, будет генерировать излучение и высокую индуктивность заземления. Если аналоговый ток низкого уровня, протекающий через большую петлю, легко может быть нарушен внешними сигналами. Хуже всего то, что при соединении секций у источника питания образуется очень большая токовая петля. Кроме того, аналоговая и цифровая земля, соединенные длинным проводом, образуют дипольную антенну.

Понимание пути и режима обратного тока на землю является ключом к оптимизации конструкции печатной платы со смешанными сигналами. Многие инженеры-конструкторы учитывают только то, где протекает сигнальный ток, игнорируя конкретный путь тока. Если слой заземления должен быть разделен и должен быть проложен через зазор между разделами, между разделенным заземлением может быть выполнено одноточечное соединение, чтобы сформировать соединительный мост между двумя слоями заземления, а затем проложить его через мост подключения. Таким образом, под каждой сигнальной линией может быть обеспечен путь обратного тока постоянного тока, в результате чего образуется небольшая область контура.

Устройства оптической развязки или трансформаторы также могут использоваться для реализации сигнала, пересекающего разрыв сегментации. В первом случае промежуток сегментации перекрывается оптическим сигналом. В случае трансформатора, это магнитное поле, которое охватывает зазор перегородки. Также возможны дифференциальные сигналы: сигналы поступают из одной линии и возвращаются из другой, и в этом случае они без необходимости используются как пути обратного потока.

Чтобы исследовать интерференцию цифрового сигнала с аналоговым, мы должны сначала понять характеристики высокочастотного тока. Высокочастотный ток всегда выбирает путь с наименьшим импедансом (индуктивностью) непосредственно под сигналом, поэтому обратный ток будет проходить через соседний слой схемы, независимо от того, является ли соседний слой слоем источника питания или слоем заземления.

На практике обычно предпочтительно использовать единое разделение печатной платы на аналоговую и цифровую части. Аналоговые сигналы маршрутизируются в аналоговой области всех слоев платы, а цифровые сигналы маршрутизируются в области цифровых схем. В этом случае обратный ток цифрового сигнала не течет в землю аналогового сигнала.

Помехи от цифровых сигналов аналоговым сигналам возникают только тогда, когда цифровые сигналы маршрутизируются или аналоговые сигналы проходят через цифровые части печатной платы. Эта проблема не из-за отсутствия сегментации, настоящая причина – неправильная разводка цифровых сигналов.

В конструкции печатной платы используется унифицированная схема за счет разделения цифровых и аналоговых схем и соответствующей сигнальной проводки, что обычно может решить некоторые из более сложных проблем компоновки и проводки, но также не имеет некоторых потенциальных проблем, вызванных сегментацией заземления. В этом случае расположение и разделение компонентов становятся критически важными для определения качества дизайна. При правильной разводке ток цифрового заземления будет ограничен цифровой частью платы и не будет мешать аналоговому сигналу. Такую проводку необходимо тщательно проверять и проверять на 100% соответствие правилам электромонтажа. В противном случае неправильная сигнальная линия полностью разрушит очень хорошую печатную плату.

При соединении аналоговых и цифровых выводов заземления аналого-цифровых преобразователей вместе, большинство производителей аналого-цифровых преобразователей рекомендуют подключать выводы AGND и DGND к одной и той же земле с низким сопротивлением, используя самые короткие провода (Примечание: Поскольку большинство микросхем аналого-цифрового преобразователя не соединяют аналоговую и цифровую землю вместе внутри, аналоговая и цифровая земля должны быть подключены через внешние контакты), любой внешний импеданс, подключенный к DGND, будет связывать больше цифрового шума с аналоговой схемой внутри IC через паразитные емкость. Следуя этой рекомендации, контакты AGND и DGND аналого-цифрового преобразователя должны быть подключены к аналоговой земле, но такой подход вызывает вопросы, например, следует ли подключать заземляющий конец конденсатора развязки цифрового сигнала к аналоговой или цифровой земле.

Если в системе есть только один аналого-цифровой преобразователь, указанная выше проблема может быть легко решена. Как показано на рисунке 3, земля разделена, а аналоговая и цифровая части заземления соединены вместе под аналого-цифровым преобразователем. Когда применяется этот метод, необходимо обеспечить, чтобы ширина моста между двумя участками была равна ширине ИС, и чтобы никакая сигнальная линия не могла пересечь зазор перегородки.

Если в системе много аналого-цифровых преобразователей, например 10 аналого-цифровых преобразователей, как подключить? Если аналоговое и цифровое заземление подключены под каждым аналого-цифровым преобразователем, результатом будет многоточечное соединение, и изоляция между аналоговым и цифровым заземлением будет бессмысленной. В противном случае вы нарушаете требования производителя.

Лучше всего начать с униформы. Как показано на рисунке 4, земля равномерно разделена на аналоговую и цифровую части. Такая компоновка не только отвечает требованиям производителей устройств IC к низкоомному соединению аналоговых и цифровых выводов заземления, но также позволяет избежать проблем ЭМС, вызванных рамочной или дипольной антенной.

Если у вас есть сомнения по поводу единого подхода к проектированию печатной платы смешанного сигнала, вы можете использовать метод разделения слоя заземления для разметки и трассировки всей печатной платы. При проектировании следует обратить внимание на то, чтобы печатную плату можно было легко соединить вместе с помощью перемычек или резисторов 0 Ом, расположенных на расстоянии менее 1/2 дюйма друг от друга в более позднем эксперименте. Обратите внимание на зонирование и разводку, чтобы убедиться, что никакие линии цифрового сигнала не проходят над аналоговой частью на всех уровнях и что никакие линии аналогового сигнала не проходят над цифровой частью. Кроме того, никакая сигнальная линия не должна пересекать зазор между землей или разделять зазор между источниками питания. Чтобы проверить работу платы и характеристики ЭМС, повторно протестируйте функцию платы и характеристики ЭМС, соединив два этажа вместе через резистор 0 Ом или перемычку. Сравнивая результаты тестирования, было обнаружено, что почти во всех случаях унифицированное решение превосходило по функциональности и производительности EMC по сравнению с раздельным решением.

Работает ли еще метод раздела земли?

Этот подход можно использовать в трех ситуациях: для некоторых медицинских устройств требуется очень низкий ток утечки между цепями и системами, подключенными к пациенту; Выход некоторого оборудования управления производственными процессами может быть подключен к шумному и высокомощному электромеханическому оборудованию; Другой случай – когда на ПЛАН ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ накладываются определенные ограничения.

Обычно на печатной плате смешанных сигналов имеются отдельные цифровые и аналоговые источники питания, которые могут и должны иметь разделенную поверхность источника питания. Однако сигнальные линии, смежные со слоем источника питания, не могут пересекать зазор между источниками питания, и все сигнальные линии, которые пересекают зазор, должны быть расположены на слое схемы, смежном с большой площадью. В некоторых случаях аналоговый источник питания может быть спроектирован с подключениями к печатной плате, а не с одной лицевой стороной, чтобы избежать разделения силовой поверхности.

Конструкция перегородки печатной платы смешанного сигнала

Проектирование печатных плат со смешанными сигналами – сложный процесс, в процессе проектирования следует обращать внимание на следующие моменты:

1. Разделите печатную плату на отдельные аналоговые и цифровые части.

2. Правильная компоновка компонентов.

3. АЦП размещается по разделам.

4. Не разделяйте землю. Аналоговая часть и цифровая часть печатной платы уложены равномерно.

5. На всех уровнях платы цифровой сигнал может быть направлен только в цифровую часть платы.

6. На всех уровнях платы аналоговые сигналы могут маршрутизироваться только в аналоговой части платы.

7. Аналоговое и цифровое разделение мощности.

8. Проводка не должна перекрывать зазор между разделенными поверхностями источника питания.

9. Сигнальные линии, которые должны перекрывать зазор между разделенными источниками питания, должны располагаться на слое разводки рядом с большой площадью.

10. Проанализируйте фактический путь и режим протекания тока через землю.

11. Используйте правильные правила подключения.