PCB návrh obvodu zmiešaného signálu je veľmi komplikovaný. Usporiadanie a zapojenie komponentov a spracovanie napájacieho a uzemňovacieho vodiča priamo ovplyvnia výkon obvodu a výkon elektromagnetickej kompatibility. Návrh rozdelenia uzemnenia a napájania uvedený v tomto dokumente môže optimalizovať výkon obvodov so zmiešaným signálom.

Ako znížiť rušenie medzi digitálnymi a analógovými signálmi? Pred návrhom je potrebné pochopiť dva základné princípy elektromagnetickej kompatibility (EMC): prvým princípom je minimalizovať oblasť prúdovej slučky; Druhým princípom je, že systém používa iba jednu referenčnú rovinu. Naopak, ak má systém dve referenčné roviny, je možné vytvoriť dipólovú anténu (poznámka: vyžarovanie malej dipólovej antény je úmerné dĺžke vedenia, množstvu pretekajúceho prúdu a frekvencii). Ak sa signál nevracia cez najmenšiu možnú slučku, môže sa vytvoriť veľká kruhová anténa. Vyhnite sa obom vo svojom dizajne čo najviac.

Bolo navrhnuté oddeliť digitálnu zem a analógovú zem na doske so zmiešaným signálom, aby sa dosiahla izolácia medzi digitálnou zemou a analógovou zemou. Aj keď je tento prístup uskutočniteľný, má veľa potenciálnych problémov, najmä vo veľkých a zložitých systémoch. Najkritickejším problémom je neprekročiť vedenie s medzerou medzi prepážkami, po prekročení vedenia s medzerou medzi prepážkami sa dramaticky zvýši elektromagnetické žiarenie a presluchy signálu. Najčastejším problémom pri návrhu PCB je problém EMI spôsobený prechodom signálneho vedenia cez zem alebo napájanie.

Ako je znázornené na obrázku 1, používame vyššie uvedenú metódu segmentácie a signálová linka preklenuje medzeru medzi dvoma zemami, aká je spätná cesta signálneho prúdu? Predpokladajme, že dve rozdelené územia sú v určitom bode spojené (zvyčajne jeden bod v jednom bode), v takom prípade zemný prúd vytvorí veľkú slučku. Vysokofrekvenčný prúd pretekajúci cez veľkú slučku bude generovať žiarenie a vysokú indukčnosť zeme. Ak je nízkoúrovňový analógový prúd pretekajúci veľkou slučkou ľahko rušený vonkajšími signálmi. Najhoršie je, že keď sú sekcie spojené dohromady na zdroji energie, vytvorí sa veľmi veľká prúdová slučka. Okrem toho analógová a digitálna zem prepojená dlhým drôtom tvorí dipólovú anténu.

Pochopenie cesty a režimu spätného toku prúdu k zemi je kľúčom k optimalizácii návrhu dosky plošných spojov so zmiešaným signálom. Mnoho dizajnérov zvažuje iba to, kde prúdi signálny prúd, pričom ignorujú špecifickú cestu prúdu. Ak musí byť zemná vrstva rozdelená a musí byť vedená cez medzeru medzi prepážkami, môže byť vytvorené jednobodové spojenie medzi oddelenou zemou, aby sa vytvoril spojovací most medzi dvoma zemnými vrstvami, a potom vedené cez spojovací mostík. Týmto spôsobom môže byť pod každým signálnym vedením poskytnutá cesta spätného toku jednosmerného prúdu, čo vedie k malej ploche slučky.

Na realizáciu signálu prechádzajúceho segmentačnou medzerou možno použiť aj optické izolačné zariadenia alebo transformátory. V prvom prípade je to optický signál, ktorý pokrýva segmentačnú medzeru. V prípade transformátora je to magnetické pole, ktoré preklenuje deliacu medzeru. Možné sú aj diferenciálne signály: signály prúdia z jedného vedenia a vracajú sa z druhého, v takom prípade sa zbytočne používajú ako spätné toky.

Aby sme preskúmali interferenciu digitálneho signálu s analógovým signálom, musíme najprv pochopiť vlastnosti vysokofrekvenčného prúdu. Vysokofrekvenčný prúd si vždy vyberá cestu s najnižšou impedanciou (indukčnosťou) priamo pod signálom, takže spätný prúd bude tiecť cez priľahlú obvodovú vrstvu bez ohľadu na to, či je susednou vrstvou napájacia vrstva alebo zemná vrstva.

V praxi sa vo všeobecnosti uprednostňuje použitie jednotného rozdelenia PCB na analógové a digitálne časti. Analógové signály sú smerované do analógovej oblasti všetkých vrstiev dosky, zatiaľ čo digitálne signály sú smerované do oblasti digitálnych obvodov. V tomto prípade spätný prúd digitálneho signálu neprúdi do zeme analógového signálu.

K interferencii medzi digitálnymi signálmi a analógovými signálmi dochádza iba vtedy, keď sú digitálne signály smerované cez alebo sú analógové signály smerované cez digitálne časti dosky plošných spojov. Tento problém nie je spôsobený nedostatočnou segmentáciou, skutočným dôvodom je nesprávne zapojenie digitálnych signálov.

Návrh dosky plošných spojov využíva zjednotenú oblasť digitálnych obvodov a analógových obvodov a vhodné zapojenie signálov, zvyčajne dokáže vyriešiť niektoré zložitejšie problémy s usporiadaním a zapojením, ale tiež nemá potenciálne problémy spôsobené segmentáciou zeme. V tomto prípade sa rozloženie a rozdelenie komponentov stáva rozhodujúcim pri určovaní kvality dizajnu. Ak je správne rozmiestnený, digitálny zemný prúd bude obmedzený na digitálnu časť dosky a nebude rušiť analógový signál. Takáto elektroinštalácia musí byť starostlivo kontrolovaná a kontrolovaná, aby sa zabezpečilo 100% dodržiavanie pravidiel elektroinštalácie. V opačnom prípade nesprávne signálne vedenie úplne zničí veľmi dobrý obvod.

Pri spájaní analógových a digitálnych uzemňovacích kolíkov A/D prevodníkov väčšina výrobcov A/D prevodníkov odporúča pripojiť kolíky AGND a DGND k rovnakému nízkoimpedančnému uzemneniu pomocou najkratších vodičov (Poznámka: Pretože väčšina čipov A/D prevodníka interne nepripája analógové a digitálne uzemnenie, analógové a digitálne uzemnenie musí byť pripojené cez externé kolíky), akákoľvek externá impedancia pripojená k DGND privedie viac digitálneho šumu do analógového obvodu vo vnútri IC cez parazitné kapacita. Podľa tohto odporúčania musia byť kolíky A/D prevodníka AGND aj DGND pripojené k analógovej zemi, ale tento prístup vyvoláva otázky, ako napríklad, či by mal byť uzemňovací koniec kondenzátora na oddeľovanie digitálneho signálu pripojený k analógovej alebo digitálnej zemi.

Ak má systém len jeden A/D prevodník, vyššie uvedený problém sa dá jednoducho vyriešiť. Ako je znázornené na obrázku 3, uzemnenie je rozdelené a analógová a digitálna uzemňovacia časť sú spolu spojené pod A/D prevodníkom. Keď sa použije táto metóda, je potrebné zabezpečiť, aby sa šírka mosta medzi týmito dvoma miestami rovnala šírke IC a aby žiadne signálne vedenie neprekročilo medzier.

Ak má systém veľa A/D prevodníkov, napríklad 10 A/D prevodníkov, ako sa pripojiť? Ak je analógová a digitálna zem pripojená pod každý A/D prevodník, výsledkom bude viacbodové spojenie a izolácia medzi analógovou a digitálnou zemou nebude mať zmysel. Ak tak neurobíte, porušujete požiadavky výrobcu.

Najlepší spôsob je začať s uniformou. Ako je znázornené na obrázku 4, zem je rovnomerne rozdelená na analógovú a digitálnu časť. Toto usporiadanie nielen spĺňa požiadavky výrobcov integrovaných obvodov na nízkoimpedančné pripojenie analógových a digitálnych uzemňovacích kolíkov, ale tiež zabraňuje problémom s EMC spôsobeným slučkovou anténou alebo dipólovou anténou.

Ak máte pochybnosti o jednotnom prístupe návrhu PCB so zmiešaným signálom, môžete použiť metódu rozdelenia na zemnú vrstvu na rozloženie a smerovanie celej dosky plošných spojov. Pri návrhu by sa mala venovať pozornosť tomu, aby sa doska s plošnými spojmi dala ľahko spojiť pomocou prepojok alebo odporov 0 ohm vzdialených od seba menej ako 1/2 palca v neskoršom experimente. Venujte pozornosť zónovaniu a zapojeniu, aby ste sa uistili, že žiadne digitálne signálne vedenia nie sú nad analógovou sekciou na všetkých vrstvách a že žiadne analógové signálové linky nie sú nad digitálnou sekciou. Okrem toho by žiadne signálne vedenie nemalo prechádzať cez zemnú medzeru alebo rozdeľovať medzeru medzi napájacie zdroje. Ak chcete otestovať funkciu dosky a výkon EMC, znova otestujte funkciu dosky a výkon EMC spojením dvoch poschodí cez 0 ohmový odpor alebo prepojku. Porovnaním výsledkov testov sa zistilo, že takmer vo všetkých prípadoch bolo unifikované riešenie lepšie z hľadiska funkčnosti a EMC výkonu v porovnaní s rozdeleným riešením.

Funguje ešte spôsob delenia pozemku?

Tento prístup možno použiť v troch situáciách: niektoré zdravotnícke pomôcky vyžadujú veľmi nízky zvodový prúd medzi okruhmi a systémami pripojenými k pacientovi; Výstup niektorých zariadení na riadenie priemyselných procesov môže byť pripojený k hlučným a vysokovýkonným elektromechanickým zariadeniam; Iný prípad je, keď LAYOUT DPS podlieha špecifickým obmedzeniam.

Na doske plošných spojov so zmiešaným signálom sú zvyčajne samostatné digitálne a analógové napájacie zdroje, ktoré môžu a mali by mať rozdelenú plochu napájacieho zdroja. Signálne vedenia susediace s vrstvou napájacieho zdroja však nemôžu prekročiť medzeru medzi napájacími zdrojmi a všetky signálové vedenia, ktoré prechádzajú medzerou, musia byť umiestnené na vrstve obvodu susediacej s veľkou oblasťou. V niektorých prípadoch môže byť analógový napájací zdroj navrhnutý s PCB pripojeniami namiesto jednej strany, aby sa zabránilo rozdeleniu napájacej plochy.

Návrh priečok PCB so zmiešaným signálom

Návrh PCB so zmiešaným signálom je zložitý proces, proces návrhu by mal venovať pozornosť nasledujúcim bodom:

1. Rozdeľte dosku plošných spojov na samostatné analógové a digitálne časti.

2. Správne rozloženie komponentov.

3. A/D prevodník je umiestnený cez priečky.

4. Nerozdeľujte zem. Analógová časť a digitálna časť dosky plošných spojov sú umiestnené rovnomerne.

5. Vo všetkých vrstvách dosky môže byť digitálny signál smerovaný iba v digitálnej časti dosky.

6. Vo všetkých vrstvách dosky môžu byť analógové signály smerované iba do analógovej časti dosky.

7. Analógové a digitálne oddelenie napájania.

8. Zapojenie by nemalo preklenúť medzeru medzi oddelenými povrchmi napájacieho zdroja.

9. Signálne vedenia, ktoré musia preklenúť medzeru medzi rozdelenými napájacími zdrojmi, by mali byť umiestnené na vrstve vodičov susediacej s veľkou oblasťou.

10. Analyzujte skutočnú cestu a spôsob toku zemného prúdu.

11. Používajte správne pravidlá zapojenia.