Апстракт: Пројектовање кола мешовитог сигнала ПЦБ- је веома компликовано. Распоред и ожичење компоненти и обрада жице за напајање и уземљење директно ће утицати на перформансе кола и перформансе електромагнетне компатибилности. Дизајн партиције уземљења и напајања представљен у овом чланку може да оптимизује перформансе кола са мешовитим сигналом.

Како смањити међусобну сметњу између дигиталног и аналогног сигнала? Пре пројектовања, морамо разумети два основна принципа електромагнетне компатибилности (ЕМЦ): Први принцип је да се минимизира површина струјне петље; други принцип је да систем користи само једну референтну површину. Напротив, ако систем има две референтне равни, могуће је формирати диполну антену (Напомена: величина зрачења мале диполне антене је пропорционална дужини линије, количини струје која тече и фреквенцији); и ако сигнал не може да прође што је више могуће Повратак мале петље може формирати велику петљу (Напомена: величина зрачења мале петље је пропорционална површини петље, струји која тече кроз петљу и квадрату фреквенције). Избегавајте ове две ситуације што је више могуће у дизајну.

Предлаже се да се дигитално уземљење и аналогно уземљење раздвоје на плочи са мешовитим сигналом, тако да се може постићи изолација између дигиталног и аналогног уземљења. Иако је овај метод изводљив, постоји много потенцијалних проблема, посебно у сложеним системима великих размера. Најкритичнији проблем је што се не може пренети преко јаза у дивизијама. Једном када се размак поделе усмери, електромагнетно зрачење и преслушавање сигнала ће се нагло повећати. Најчешћи проблем у дизајну ПЦБ-а је тај што сигнална линија прелази подељено уземљење или напајање и ствара проблеме ЕМИ.

Како постићи дизајн партиција ПЦБ-а са мешовитим сигналом

Као што је приказано на слици 1, користимо горе поменуту методу поделе, а сигнална линија прелази празнину између два уземљења. Који је повратни пут сигналне струје? Под претпоставком да су два уземљења која су подељена негде повезана заједно (обично једна тачка везе на одређеној локацији), у овом случају струја земље ће формирати велику петљу. Струја високе фреквенције која тече кроз велику петљу генерише зрачење и високу индуктивност земље. Ако аналогна струја ниског нивоа тече кроз велику петљу, струју лако ометају спољни сигнали. Најгоре је то што када се подељена уземљења споје заједно на напајање, формираће се веома велика струјна петља. Поред тога, аналогно уземљење и дигитално уземљење су повезане дугачком жицом да формирају диполну антену.

Разумевање путање и метода повратка струје у земљу је кључ за оптимизацију дизајна плоче са мешовитим сигналом. Многи дизајнери узимају у обзир само где струја сигнала тече и игноришу специфичну путању струје. Ако слој уземљења мора бити подељен, а ожичење мора бити спроведено кроз јаз између преграда, може се направити веза у једној тачки између подељених уземљења како би се формирао повезни мост између два уземљења, а затим ожичење кроз спојни мост . На овај начин се може обезбедити повратни пут једносмерне струје испод сваке сигналне линије, тако да је формирана површина петље мала.

Употреба оптичких изолационих уређаја или трансформатора такође може да постигне сигнал преко сегментног јаза. За прве, оптички сигнал прелази сегментни јаз; у случају трансформатора, то је магнетно поље које прелази сегментни јаз. Још један изводљив метод је коришћење диференцијалних сигнала: сигнал улази са једне линије и враћа се са друге сигналне линије. У овом случају, земља није потребна као повратна путања.

Да бисмо дубоко истражили интерференцију дигиталних сигнала са аналогним сигналима, прво морамо разумети карактеристике високофреквентних струја. За струје високе фреквенције, увек бирајте путању са најмањом импедансом (најнижом индуктивношћу) и директно испод сигнала, тако да ће повратна струја тећи кроз суседни слој кола, без обзира да ли је суседни слој енергетски слој или слој земље. .

У стварном раду, генерално је склон да се користи обједињено уземљење и подели ПЦБ на аналогни део и дигитални део. Аналогни сигнал се усмерава у аналогну област свих слојева штампане плоче, а дигитални сигнал се усмерава у област дигиталног кола. У овом случају, повратна струја дигиталног сигнала неће тећи у масу аналогног сигнала.

Само када је дигитални сигнал ожичен на аналогном делу плоче или је аналогни сигнал ожичен на дигиталном делу плоче, појавиће се интерференција дигиталног сигнала са аналогним сигналом. Овакав проблем се не јавља јер нема подељеног тла, прави разлог је неправилно ожичење дигиталног сигнала.

Дизајн ПЦБ-а усваја обједињено уземљење, кроз партицију дигиталног кола и аналогног кола и одговарајуће сигнално ожичење, обично може да реши неке теже проблеме са распоредом и ожичењем, а у исто време неће изазвати неке потенцијалне проблеме узроковане поделом уземљења. У овом случају, распоред и подела компоненти постаје кључ за одређивање предности и недостатака дизајна. Ако је распоред разуман, дигитална струја уземљења ће бити ограничена на дигитални део плоче и неће ометати аналогни сигнал. Такво ожичење мора бити пажљиво прегледано и верификовано како би се осигурало да су правила ожичења 100% поштована. У супротном, неправилно усмеравање сигналне линије ће потпуно уништити иначе веома добру плочу.

Приликом повезивања аналогног уземљења и дигиталних пинова уземљења А/Д претварача, већина произвођача А/Д конвертера би предложила: Повежите АГНД и ДГНД пинове на исто уземљење ниске импедансе преко најкраћег кабла. (Напомена: Пошто већина чипова А/Д претварача не повезује аналогно и дигитално уземљење заједно, аналогно и дигитално уземљење морају бити повезане преко екстерних пинова.) Свака спољна импеданса повезана на ДГНД ће проћи паразитски капацитет. Више дигиталног шума је повезано са аналогним колима унутар ИЦ-а. Према овој препоруци, потребно је да повежете пинове АГНД и ДГНД А/Д конвертора на аналогну масу, али овај метод ће изазвати проблеме као што је да ли терминал за уземљење кондензатора за раздвајање дигиталног сигнала треба да буде повезан са аналогном земљом или дигитално тло.

Како постићи дизајн партиција ПЦБ-а са мешовитим сигналом

Ако систем има само један А/Д конвертор, горе наведени проблеми се лако могу решити. Као што је приказано на слици 3, поделите уземљење и повежите аналогно и дигитално уземљење заједно испод А/Д претварача. Приликом усвајања ове методе, потребно је осигурати да ширина спојног моста између два уземљења буде иста као и ширина ИЦ-а, те да било која сигнална линија не може прећи раздјелни размак.

Ако у систему има много А/Д конвертора, на пример, како спојити 10 А/Д претварача? Ако се аналогно уземљење и дигитално уземљење споје заједно испод сваког А/Д претварача, генерише се веза са више тачака, а изолација између аналогног уземљења и дигиталног уземљења је бесмислена. Ако се не повежете на овај начин, то крши захтеве произвођача.