Sammanfattning: Designen av blandad signalkrets PCB är mycket komplicerat. Layouten och kabeldragningen av komponenter och bearbetningen av strömförsörjning och jordledning kommer direkt att påverka kretsprestanda och elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda. Partitionsdesignen för jord och effekt som introduceras i den här artikeln kan optimera prestandan hos kretsar med blandade signaler.

Hur minskar man den ömsesidiga störningen mellan digital signal och analog signal? Innan vi designar måste vi förstå de två grundläggande principerna för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC): Den första principen är att minimera området för strömslingan; den andra principen är att systemet endast använder en referensyta. Tvärtom, om systemet har två referensplan, är det möjligt att bilda en dipolantenn (Notera: strålningsstorleken för en liten dipolantenn är proportionell mot längden på linjen, mängden ström som flyter och frekvensen); och om signalen inte kan passera så mycket som möjligt kan returen av en liten slinga bilda en stor slingantenn (Obs: strålningsstorleken för en liten slingantenn är proportionell mot slingytan, strömmen som flyter genom slingan och kvadraten av frekvensen). Undvik dessa två situationer så mycket som möjligt i designen.

Det föreslås att separera den digitala jordningen och den analoga jordningen på kretskortet med blandade signaler, så att isoleringen mellan den digitala jordningen och den analoga jordningen kan uppnås. Även om denna metod är genomförbar, finns det många potentiella problem, särskilt i komplexa storskaliga system. Det mest kritiska problemet är att det inte kan dirigeras över divisionsgapet. När divisionsgapet väl är dirigerat kommer elektromagnetisk strålning och signalöverhörning att öka kraftigt. Det vanligaste problemet i PCB-design är att signalledningen korsar den delade marken eller strömförsörjningen och genererar EMI-problem.

Hur man uppnår partitionsdesign av PCB med blandade signaler

Som visas i figur 1 använder vi den ovan nämnda divisionsmetoden, och signallinjen korsar gapet mellan de två grunderna. Vilken är returvägen för signalströmmen? Om man antar att de två jordarna som är uppdelade är sammankopplade någonstans (vanligtvis en enda punktanslutning på en viss plats), kommer i detta fall jordströmmen att bilda en stor slinga. Den högfrekventa strömmen som flyter genom den stora slingan genererar strålning och hög jordinduktans. Om den analoga lågnivåströmmen flyter genom den stora slingan störs strömmen lätt av externa signaler. Det värsta är att när de delade jordarna kopplas ihop vid strömförsörjningen så bildas en mycket stor strömslinga. Dessutom är den analoga jordningen och den digitala jordningen sammankopplade med en lång tråd för att bilda en dipolantenn.

Att förstå vägen och metoden för strömåtergång till jord är nyckeln till att optimera designen av kretskort med blandade signaler. Många designingenjörer överväger bara var signalströmmen flyter och ignorerar strömmens specifika väg. Om jordskiktet måste delas, och ledningarna måste dras genom gapet mellan avdelningarna, kan en enpunktskoppling göras mellan de delade jordningarna för att bilda en anslutningsbrygga mellan de två jordningarna, och sedan ledningar genom anslutningsbryggan . På detta sätt kan en likströmsreturbana tillhandahållas under varje signalledning, så att den bildade slingarean blir liten.

Användningen av optiska isoleringsanordningar eller transformatorer kan också uppnå signalen över segmenteringsgapet. För den förra är det den optiska signalen som korsar segmenteringsgapet; i fallet med en transformator är det magnetfältet som korsar segmenteringsgapet. En annan möjlig metod är att använda differentialsignaler: signalen strömmar in från en linje och återvänder från en annan signallinje. I det här fallet behövs inte marken som en returväg.

För att på djupet utforska störningen av digitala signaler till analoga signaler måste vi först förstå egenskaperna hos högfrekventa strömmar. För högfrekventa strömmar, välj alltid vägen med minst impedans (lägsta induktans) och direkt under signalen, så kommer returströmmen att flyta genom det intilliggande kretsskiktet, oavsett om det intilliggande skiktet är kraftskiktet eller jordskiktet .

I verkligt arbete är det i allmänhet benäget att använda en enhetlig jord och dela upp PCB i en analog del och en digital del. Den analoga signalen dirigeras i det analoga området för alla lager på kretskortet, och den digitala signalen dirigeras i det digitala kretsområdet. I detta fall kommer den digitala signalens returström inte att flyta in i den analoga signalens jord.

Endast när den digitala signalen är kopplad till den analoga delen av kretskortet eller den analoga signalen är kopplad till den digitala delen av kretskortet, kommer störningen av den digitala signalen till den analoga signalen att visas. Den här typen av problem uppstår inte eftersom det inte finns någon delad jord, den verkliga orsaken är den felaktiga kabeldragningen av den digitala signalen.

PCB-design antar enhetlig jord, genom digital krets och analog kretspartition och lämplig signalledning, kan vanligtvis lösa några svårare layout- och ledningsproblem, och samtidigt kommer det inte att orsaka några potentiella problem orsakade av jorddelning. I det här fallet blir layouten och uppdelningen av komponenter nyckeln till att bestämma för- och nackdelar med designen. Om layouten är rimlig kommer den digitala jordströmmen att begränsas till den digitala delen av kretskortet och kommer inte att störa den analoga signalen. Sådana ledningar måste noggrant inspekteras och verifieras för att säkerställa att ledningsreglerna följs till 100 %. Annars kommer felaktig dirigering av en signallinje att förstöra ett annars mycket bra kretskort helt.

När du ansluter A/D-omvandlarens analoga jord och digitala jordstift, föreslår de flesta tillverkare av A/D-omvandlare: Anslut AGND- och DGND-stiften till samma lågimpedansjord genom den kortaste ledningen. (Obs: Eftersom de flesta A/D-omvandlarchips inte ansluter den analoga jordningen och den digitala jordningen, måste den analoga och digitala jordningen anslutas via externa stift.) Alla externa impedanser som är anslutna till DGND kommer att passera parasitisk kapacitans. Mer digitalt brus är kopplat till de analoga kretsarna inuti IC. Enligt denna rekommendation måste du ansluta AGND- och DGND-stiften på A/D-omvandlaren till den analoga jordningen, men denna metod kommer att orsaka problem som om jordterminalen på den digitala signalavkopplingskondensatorn ska anslutas till den analoga jordningen eller den digitala marken.

Hur man uppnår partitionsdesign av PCB med blandade signaler

Om systemet bara har en A/D-omvandlare kan ovanstående problem enkelt lösas. Som visas i figur 3, dela jorden och anslut den analoga jordningen och den digitala jordningen tillsammans under A/D-omvandlaren. När du använder den här metoden är det nödvändigt att se till att bredden på anslutningsbryggan mellan de två grunderna är densamma som bredden på IC:n, och att någon signallinje inte kan korsa divisionsgapet.

Om det finns många A/D-omvandlare i systemet, till exempel, hur ansluter man 10 A/D-omvandlare? Om den analoga jordningen och den digitala jordningen är sammankopplade under varje A/D-omvandlare, genereras flerpunktsförbindelse, och isoleringen mellan den analoga jordningen och den digitala jordningen är meningslös. Om du inte ansluter på detta sätt bryter det mot tillverkarens krav.