Kako doseči načrtovanje particij PCB z mešanim signalom?

Povzetek: Zasnova mešanega signalnega vezja PCB je zelo zapleteno. Postavitev in ožičenje komponent ter obdelava napajalne in ozemljitvene žice bo neposredno vplivala na zmogljivost vezja in zmogljivost elektromagnetne združljivosti. Zasnova particije ozemljitve in moči, predstavljena v tem članku, lahko optimizira delovanje vezij z mešanimi signali.

ipcb

Kako zmanjšati medsebojne motnje med digitalnim in analognim signalom? Pred načrtovanjem moramo razumeti dve osnovni principi elektromagnetne združljivosti (EMC): Prvo načelo je zmanjšati površino tokovne zanke; drugo načelo je, da sistem uporablja samo eno referenčno površino. Nasprotno, če ima sistem dve referenčni ravnini, je mogoče oblikovati dipolno anteno (Opomba: velikost sevanja majhne dipolne antene je sorazmerna z dolžino linije, količino toka, ki teče in frekvenco); in če signal ne more prenesti čim več Povratek majhne zanke lahko tvori veliko zančno anteno (Opomba: velikost sevanja majhne zančne antene je sorazmerna s površino zanke, tokom, ki teče skozi zanko, in kvadratom frekvence). Pri oblikovanju se čim bolj izogibajte tema dvema situacijama.

Predlagamo, da ločite digitalno ozemljitev in analogno ozemljitev na vezju z mešanim signalom, tako da je mogoče doseči izolacijo med digitalno ozemljitev in analogno ozemljitev. Čeprav je ta metoda izvedljiva, obstaja veliko možnih težav, zlasti v zapletenih velikih sistemih. Najbolj kritična težava je, da ga ni mogoče usmeriti čez delitveno vrzel. Ko se deli delitvena vrzel preusmeri, se elektromagnetno sevanje in preslušavanje signala močno povečata. Najpogostejša težava pri načrtovanju PCB je, da signalna linija prečka razdeljeno ozemljitev ali napajalnik in povzroča težave z EMI.

Kako doseči načrtovanje particij PCB z mešanim signalom

Kot je prikazano na sliki 1, uporabljamo zgoraj omenjeno metodo delitve, signalna črta pa prečka vrzel med obema terenoma. Kakšna je povratna pot signalnega toka? Ob predpostavki, da sta dve ozemlji, ki sta razdeljeni, nekje povezani (običajno ena točkovna povezava na določeni lokaciji), bo v tem primeru zemeljski tok tvoril veliko zanko. Visokofrekvenčni tok, ki teče skozi veliko zanko, ustvarja sevanje in visoko induktivnost tal. Če analogni tok nizke ravni teče skozi veliko zanko, zunanji signali zlahka motijo ​​tok. Najslabše je, da ko se razdeljene ozemljitve povežejo skupaj na napajalnik, bo nastala zelo velika tokovna zanka. Poleg tega sta analogna ozemljitev in digitalna ozemljitev povezana z dolgo žico, da tvorita dipolno anteno.

Razumevanje poti in načina vrnitve toka v zemljo je ključ do optimizacije zasnove vezij z mešanimi signali. Mnogi oblikovalci upoštevajo le, kje teče signalni tok, in ignorirajo specifično pot toka. Če je treba ozemljitveno plast razdeliti in je treba ožičenje napeljati skozi režo med deli, je mogoče med razdeljenimi ozemljiti vzpostaviti enotočkovno povezavo, da tvori povezovalni most med obema ozemljima, in nato ožičenje skozi povezovalni most . Na ta način se lahko pod vsako signalno linijo zagotovi povratna pot enosmernega toka, tako da je nastalo območje zanke majhno.

Z uporabo optičnih izolacijskih naprav ali transformatorjev lahko dosežete tudi signal prek segmentacijske vrzeli. Pri prvem je optični signal tisti, ki prečka segmentacijsko vrzel; v primeru transformatorja je magnetno polje tisto, ki prečka segmentacijsko režo. Druga izvedljiva metoda je uporaba diferencialnih signalov: signal teče iz ene linije in se vrača iz druge signalne linije. V tem primeru tla kot povratna pot niso potrebna.

Da bi poglobljeno raziskali interferenco digitalnih signalov v analogne signale, moramo najprej razumeti značilnosti visokofrekvenčnih tokov. Za visokofrekvenčne tokove vedno izberite pot z najmanjšo impedanco (najnižjo induktivnostjo) in neposredno pod signalom, tako da bo povratni tok tekel skozi sosednji sloj vezja, ne glede na to, ali je sosednji sloj močnostni ali ozemljitveni sloj. .

Pri dejanskem delu je na splošno nagnjen k uporabi enotne ozemljitve in delitvi tiskanega vezja na analogni in digitalni del. Analogni signal se usmeri v analogno območje vseh plasti vezja, digitalni signal pa v območje digitalnega vezja. V tem primeru povratni tok digitalnega signala ne bo tekel v ozemljitev analognega signala.

Šele ko je digitalni signal ožičen na analogni del vezja ali je analogni signal ožičen na digitalni del vezja, se pojavi interferenca digitalnega signala na analogni signal. Tovrstne težave ne nastanejo, ker ni razdeljene ozemljitve, pravi razlog je nepravilno ožičenje digitalnega signala.

Zasnova tiskanega vezja sprejme enotno ozemljitev, prek razdelitve digitalnega in analognega vezja ter ustreznega signalnega ožičenja, običajno lahko reši nekatere težje težave z razporeditvijo in ožičenjem, hkrati pa ne bo povzročil nekaterih potencialnih težav, ki jih povzroča delitev ozemljitve. V tem primeru postavitev in razdelitev komponent postaneta ključna za določitev prednosti in slabosti zasnove. Če je postavitev smiselna, bo digitalni ozemljitveni tok omejen na digitalni del vezja in ne bo motil analognega signala. Takšno ožičenje je treba skrbno pregledati in preveriti, da se zagotovi 100-odstotno spoštovanje pravil ožičenja. V nasprotnem primeru bo nepravilna napeljava signalne linije popolnoma uničila sicer zelo dobro vezje.

Pri povezovanju analognih ozemljitvenih in digitalnih ozemljitvenih nožic A/D pretvornika bi večina proizvajalcev A/D pretvornikov predlagala: Povežite nožice AGND in DGND na isto ozemljitev z nizko impedanco prek najkrajšega kabla. (Opomba: ker večina čipov A/D pretvornika ne povezuje analogne ozemljitve in digitalne ozemljitve skupaj, morata biti analogna in digitalna ozemljitev povezana z zunanjimi zatiči.) Vsaka zunanja impedanca, povezana z DGND, bo prešla parazitsko kapacitivnost. Več digitalnega šuma je povezano z analognimi vezji znotraj IC. V skladu s tem priporočilom morate priključiti nožice AGND in DGND A/D pretvornika na analogno ozemljitev, vendar bo ta metoda povzročila težave, kot je, ali naj bo ozemljitveni terminal kondenzatorja za ločevanje digitalnega signala povezan z analogno ozemljitvijo ali digitalna tla.

Kako doseči načrtovanje particij PCB z mešanim signalom

Če ima sistem samo en A/D pretvornik, je zgornje težave mogoče enostavno rešiti. Kot je prikazano na sliki 3, razdelite ozemljitev in povežite analogno ozemljitev in digitalno ozemljitev skupaj pod A/D pretvornikom. Pri sprejemanju te metode je treba zagotoviti, da je širina povezovalnega mostu med obema ozemljima enaka širini IC in nobena signalna linija ne more prečkati razdelilne vrzeli.

Če je v sistemu veliko A/D pretvornikov, na primer, kako povezati 10 A/D pretvornikov? Če sta analogna ozemljitev in digitalna ozemljitev povezana pod vsakim A/D pretvornikom, se ustvari večtočkovna povezava in izolacija med analogno ozemljitev in digitalno ozemljitev je nesmiselna. Če se ne povežete na ta način, kršite zahteve proizvajalca.