PCB design av blandade signalkretsar är mycket komplicerad. Layouten och kabeldragningen av komponenter och bearbetningen av strömförsörjning och jordledning kommer att direkt påverka kretsprestanda och elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda. Partitionsdesignen för jord och strömförsörjning som introduceras i detta dokument kan optimera prestandan hos kretsar med blandade signaler.

Hur minskar man störningarna mellan digitala och analoga signaler? Två grundläggande principer för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) måste förstås innan design: den första principen är att minimera arean av strömslingan; Den andra principen är att systemet endast använder ett referensplan. Tvärtom, om systemet har två referensplan är det möjligt att bilda en dipolantenn (notera: strålningen från en liten dipolantenn är proportionell mot längden på linjen, mängden ström som flyter och frekvensen). Om signalen inte går tillbaka genom minsta möjliga slinga kan en stor cirkulär antenn bildas. Undvik båda i din design så mycket som möjligt.

Det har föreslagits att separera den digitala jordningen och den analoga jordningen på kretskortet med blandade signaler för att uppnå isolering mellan den digitala jordningen och den analoga jordningen. Även om detta tillvägagångssätt är genomförbart har det många potentiella problem, särskilt i stora och komplexa system. Det mest kritiska problemet är att inte korsa partitionsgapets kablar, när man väl har korsat partitionsgapets kablar, kommer elektromagnetisk strålning och signalöverhörning att öka dramatiskt. Det vanligaste problemet i PCB-design är EMI-problem som orsakas av signalledning som korsar marken eller strömförsörjningen.

Som visas i figur 1 använder vi segmenteringsmetoden ovan, och signallinjen spänner över gapet mellan de två marken, vad är returvägen för signalströmmen? Antag att de två uppdelade länderna är anslutna någon gång (vanligtvis en enda punkt vid en punkt), i vilket fall jordströmmen kommer att bilda en stor slinga. Den högfrekventa strömmen som flyter genom den stora slingan kommer att generera strålning och hög jordinduktans. Om den analoga lågnivåströmmen som flyter genom den stora slingan är lätt att störas av externa signaler. Det värsta är att när sektionerna kopplas ihop vid strömkällan så bildas en väldigt stor strömslinga. Dessutom bildar analog och digital jord ansluten med en lång tråd en dipolantenn.

Att förstå vägen och läget för strömåterflöde till jord är nyckeln för att optimera designen av kretskort med blandade signaler. Många konstruktionsingenjörer överväger bara var signalströmmen flyter och ignorerar strömmens specifika väg. Om jordskiktet måste delas och måste dras genom springan mellan skiljeväggarna, kan en enkelpunktsförbindelse göras mellan den avdelade marken för att bilda en förbindelsebrygga mellan de två jordskikten och sedan dras genom förbindelsebryggan. På detta sätt kan en likströmsåterflödesbana tillhandahållas under varje signalledning, vilket resulterar i en liten slingarea.

Optiska isoleringsanordningar eller transformatorer kan också användas för att realisera signalen som korsar segmenteringsgapet. För den förra är det den optiska signalen som sträcker sig över segmenteringsgapet. När det gäller en transformator är det magnetfältet som spänner över mellanrummet. Differentiella signaler är också möjliga: signaler strömmar in från en linje och återkommer från den andra, i vilket fall de används som backflödesvägar i onödan.

För att utforska störningen av digital signal till analog signal måste vi först förstå egenskaperna hos högfrekvent ström. Högfrekvent ström väljer alltid vägen med lägst impedans (induktans) direkt under signalen, så returströmmen kommer att flyta genom det intilliggande kretsskiktet, oavsett om det intilliggande skiktet är strömförsörjningsskiktet eller jordskiktet.

I praktiken är det i allmänhet att föredra att använda en enhetlig PCB-partition i analoga och digitala delar. Analoga signaler dirigeras i den analoga regionen av alla lager på kortet, medan digitala signaler dirigeras i den digitala kretsregionen. I detta fall flödar den digitala signalreturströmmen inte in i den analoga signalens jord.

Störningar från digitala signaler till analoga signaler uppstår endast när de digitala signalerna dirigeras över eller analoga signaler dirigeras över de digitala delarna av kretskortet. Detta problem beror inte på bristen på segmentering, den verkliga anledningen är felaktig ledning av digitala signaler.

PCB-design använder enhetlig, genom den digitala kretsen och analoga kretspartitionen och lämplig signalledning, vanligtvis kan lösa några av de svårare layout- och ledningsproblemen, men har inte heller några potentiella problem som orsakas av marksegmentering. I det här fallet blir layouten och uppdelningen av komponenter avgörande för att bestämma kvaliteten på designen. Om den är korrekt upplagd kommer den digitala jordströmmen att begränsas till den digitala delen av kortet och kommer inte att störa den analoga signalen. Sådana ledningar måste kontrolleras noggrant och kontrolleras för att säkerställa 100 % överensstämmelse med ledningsreglerna. Annars kommer en felaktig signalledning att helt förstöra ett mycket bra kretskort.

När du ansluter analoga och digitala jordstift på A/D-omvandlare, rekommenderar de flesta tillverkare av A/D-omvandlare att du ansluter AGND- och DGND-stiften till samma lågimpedansjord med de kortaste ledningarna (Obs: Eftersom de flesta A/D-omvandlarchips inte kopplar ihop analog och digital jord internt, måste den analoga och digitala jordningen anslutas via externa stift), kommer eventuell extern impedans ansluten till DGND att koppla mer digitalt brus till den analoga kretsen inuti IC:n via parasit. kapacitans. Efter denna rekommendation måste både A/D-omvandlarens AGND- och DGND-stift anslutas till den analoga jordningen, men detta tillvägagångssätt väcker frågor som om jordänden av den digitala signalavkopplingskondensatorn ska anslutas till den analoga eller digitala jordningen.

Om systemet bara har en A/D-omvandlare kan ovanstående problem enkelt lösas. Som visas i figur 3 är jorden delad och de analoga och digitala jordsektionerna är sammankopplade under A/D-omvandlaren. När denna metod används är det nödvändigt att säkerställa att bryggbredden mellan de två platserna är lika med IC-bredden och att ingen signallinje kan passera mellanrummet.

Om systemet har många A/D-omvandlare, till exempel 10 A/D-omvandlare, hur ansluter jag? Om analog och digital jord ansluts under varje A/D-omvandlare, kommer en flerpunktsanslutning att resultera, och isoleringen mellan analog och digital jord blir meningslös. Om du inte gör det bryter du mot tillverkarens krav.

Det bästa sättet är att börja med en uniform. Som visas i figur 4 är marken likformigt uppdelad i analoga och digitala delar. Denna layout uppfyller inte bara kraven från IC-enhetstillverkare för lågimpedansanslutning av analoga och digitala jordstift, utan undviker också EMC-problem orsakade av loopantenn eller dipolantenn.

Om du har tvivel om det enhetliga tillvägagångssättet för PCB-design med blandade signaler, kan du använda metoden för jordskiktspartition för att lägga ut och dirigera hela kretskortet. I designen bör man vara uppmärksam på att göra kretskortet lätt att koppla ihop med byglar eller 0 ohm-motstånd placerade mindre än 1/2 tum från varandra i det senare experimentet. Var uppmärksam på zonindelning och ledningar för att säkerställa att inga digitala signallinjer är ovanför den analoga sektionen på alla lager och att inga analoga signallinjer är ovanför den digitala sektionen. Dessutom bör ingen signalledning korsa jordgapet eller dela gapet mellan strömkällorna. För att testa kortets funktion och EMC-prestanda, testa om kortets funktion och EMC-prestanda genom att koppla ihop de två våningarna via ett 0 ohm-motstånd eller bygel. När man jämförde testresultaten fann man att i nästan alla fall var den enhetliga lösningen överlägsen vad gäller funktionalitet och EMC-prestanda jämfört med den delade lösningen.

Fungerar metoden att dela marken fortfarande?

Detta tillvägagångssätt kan användas i tre situationer: vissa medicinska apparater kräver mycket låg läckström mellan kretsar och system anslutna till patienten; Utsignalen från viss industriell processkontrollutrustning kan vara kopplad till bullrig och högeffekt elektromekanisk utrustning; Ett annat fall är när mönsterkortets LAYOUT är föremål för specifika begränsningar.

Det finns vanligtvis separata digitala och analoga nätaggregat på ett kretskort med blandade signaler som kan och bör ha en delad strömförsörjningsyta. Signalledningarna intill strömförsörjningsskiktet kan dock inte korsa gapet mellan strömförsörjningen, och alla signalledningar som korsar gapet måste vara placerade på kretsskiktet intill det stora området. I vissa fall kan den analoga strömförsörjningen utformas med PCB-anslutningar snarare än en sida för att undvika splittring av strömytan.

Partition design av blandad signal PCB

PCB-design med blandade signaler är en komplex process, designprocessen bör vara uppmärksam på följande punkter:

1. Dela kretskortet i separata analoga och digitala delar.

2. Korrekt komponentlayout.

3. A/D-omvandlaren placeras över partitionerna.

4. Dela inte marken. Den analoga delen och den digitala delen av kretskortet läggs enhetligt.

5. I alla lager av kortet kan den digitala signalen endast dirigeras i den digitala delen av kortet.

6. I alla lager av kortet kan analoga signaler endast dirigeras i den analoga delen av kortet.

7. Analog och digital effektseparation.

8. Ledningar bör inte överskrida mellanrummet mellan de delade strömförsörjningsytorna.

9. Signalledningarna som måste sträcka sig över gapet mellan de delade strömförsörjningarna bör placeras på ledningsskiktet intill ett stort område.

10. Analysera den faktiska vägen och läget för jordströmflödet.

11. Använd korrekta ledningsregler.