บทคัดย่อ: การออกแบบวงจรสัญญาณผสม PCB มีความซับซ้อนมาก เค้าโครงและการเดินสายของส่วนประกอบและการประมวลผลของแหล่งจ่ายไฟและสายกราวด์จะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของวงจรและประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า การออกแบบพาร์ติชั่นของกราวด์และกำลังไฟฟ้าที่แนะนำในบทความนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของวงจรสัญญาณผสมได้

จะลดการรบกวนซึ่งกันและกันระหว่างสัญญาณดิจิตอลและสัญญาณอนาล็อกได้อย่างไร? ก่อนการออกแบบ เราต้องเข้าใจหลักการพื้นฐานสองประการของความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC): หลักการแรกคือการลดพื้นที่ของลูปปัจจุบัน หลักการที่สองคือระบบใช้พื้นผิวอ้างอิงเพียงจุดเดียว ในทางตรงกันข้าม หากระบบมีระนาบอ้างอิงสองระนาบ ก็สามารถสร้างเสาอากาศไดโพลได้ (หมายเหตุ: ขนาดรังสีของเสาอากาศไดโพลขนาดเล็กเป็นสัดส่วนกับความยาวของเส้น ปริมาณกระแสที่ไหล และความถี่) และถ้าสัญญาณไม่สามารถผ่านได้มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ การกลับมาของลูปเล็กอาจก่อตัวเป็นเสาอากาศวงใหญ่ (หมายเหตุ: ขนาดการแผ่รังสีของเสาอากาศวงเล็กเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ลูป กระแสที่ไหลผ่านลูป และสี่เหลี่ยมจตุรัส ของความถี่) หลีกเลี่ยงสองสถานการณ์นี้ให้มากที่สุดในการออกแบบ

ขอแนะนำให้แยกกราวด์ดิจิทัลและแอนะล็อกกราวด์บนแผงวงจรสัญญาณผสม เพื่อให้แยกระหว่างกราวด์ดิจิทัลและกราวด์แอนะล็อกได้ แม้ว่าวิธีนี้จะเป็นไปได้ แต่ก็มีปัญหาที่อาจเกิดขึ้นมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบขนาดใหญ่ที่ซับซ้อน ปัญหาที่สำคัญที่สุดคือไม่สามารถส่งผ่านช่องว่างการหารได้ เมื่อกำหนดเส้นทางช่องว่างการหาร การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสัญญาณครอสทอล์คจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดในการออกแบบ PCB คือสายสัญญาณตัดผ่านกราวด์หรือแหล่งจ่ายไฟ และสร้างปัญหา EMI

วิธีบรรลุการออกแบบพาร์ติชั่นของ PCB แบบผสมสัญญาณ

ดังแสดงในรูปที่ 1 เราใช้วิธีการแบ่งที่กล่าวถึงข้างต้น และเส้นสัญญาณตัดผ่านช่องว่างระหว่างบริเวณทั้งสอง เส้นทางกลับของกระแสสัญญาณคืออะไร? สมมติว่ากราวด์ทั้งสองที่ถูกแบ่งนั้นเชื่อมต่อกันที่ไหนสักแห่ง (โดยปกติคือจุดเชื่อมต่อจุดเดียว ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง) ในกรณีนี้ กระแสกราวด์จะสร้างลูปขนาดใหญ่ กระแสความถี่สูงที่ไหลผ่านลูปขนาดใหญ่ทำให้เกิดการแผ่รังสีและการเหนี่ยวนำของกราวด์สูง หากกระแสแอนะล็อกระดับต่ำไหลผ่านลูปขนาดใหญ่ กระแสจะถูกรบกวนโดยสัญญาณภายนอกอย่างง่ายดาย สิ่งที่เลวร้ายที่สุดคือเมื่อเชื่อมต่อกราวด์ที่ถูกแบ่งเข้าด้วยกันที่แหล่งจ่ายไฟจะเกิดวงจรกระแสขนาดใหญ่มาก นอกจากนี้ กราวด์แอนะล็อกและกราวด์ดิจิทัลยังเชื่อมต่อกันด้วยสายยาวเพื่อสร้างเสาอากาศไดโพล

การทำความเข้าใจเส้นทางและวิธีการกลับสู่พื้นปัจจุบันเป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบแผงวงจรสัญญาณผสม วิศวกรออกแบบหลายคนพิจารณาเฉพาะที่ที่กระแสสัญญาณไหล และไม่สนใจเส้นทางเฉพาะของกระแส ถ้าต้องแบ่งชั้นกราวด์ และเดินสายไฟผ่านช่องว่างระหว่างดิวิชั่น สามารถทำการเชื่อมต่อจุดเดียวระหว่างกราวด์ที่ถูกแบ่งเพื่อสร้างสะพานเชื่อมระหว่างกราวด์ทั้งสอง แล้วเดินสายผ่านสะพานเชื่อมต่อ . ด้วยวิธีนี้ สามารถให้เส้นทางกลับกระแสตรงใต้เส้นสัญญาณแต่ละเส้น เพื่อให้พื้นที่วนรอบที่เกิดขึ้นมีขนาดเล็ก

การใช้อุปกรณ์แยกแสงหรือหม้อแปลงไฟฟ้ายังสามารถรับสัญญาณผ่านช่องว่างการแบ่งส่วนได้ สำหรับอดีต มันคือสัญญาณออปติคัลที่ข้ามช่องว่างการแบ่งส่วน; ในกรณีของหม้อแปลงไฟฟ้า จะเป็นสนามแม่เหล็กที่ตัดผ่านช่องว่างของการแบ่งส่วน อีกวิธีที่เป็นไปได้คือการใช้สัญญาณที่แตกต่าง: สัญญาณไหลเข้าจากบรรทัดหนึ่งและส่งกลับจากสายสัญญาณอื่น ในกรณีนี้ ไม่จำเป็นต้องใช้กราวด์เป็นเส้นทางกลับ

ในการสำรวจการรบกวนสัญญาณดิจิทัลไปยังสัญญาณแอนะล็อกอย่างลึกซึ้ง เราต้องเข้าใจลักษณะของกระแสความถี่สูงก่อน สำหรับกระแสความถี่สูง ให้เลือกเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์น้อยที่สุด (ตัวเหนี่ยวนำต่ำสุด) เสมอ และอยู่ใต้สัญญาณโดยตรง ดังนั้นกระแสย้อนกลับจะไหลผ่านชั้นวงจรที่อยู่ติดกัน ไม่ว่าชั้นที่อยู่ติดกันจะเป็นชั้นกำลังหรือชั้นกราวด์ .

ในการทำงานจริง โดยทั่วไปมักจะใช้กราวด์แบบรวมศูนย์ และแบ่ง PCB ออกเป็นส่วนแอนะล็อกและส่วนดิจิทัล สัญญาณแอนะล็อกถูกกำหนดเส้นทางในพื้นที่แอนะล็อกของทุกชั้นของแผงวงจร และสัญญาณดิจิทัลจะถูกส่งไปยังพื้นที่วงจรดิจิทัล ในกรณีนี้ กระแสย้อนกลับของสัญญาณดิจิตอลจะไม่ไหลลงสู่กราวด์สัญญาณแอนะล็อก

เฉพาะเมื่อมีการต่อสายสัญญาณดิจิทัลบนส่วนแอนะล็อกของแผงวงจรหรือต่อสายสัญญาณแอนะล็อกบนส่วนดิจิทัลของแผงวงจร การรบกวนของสัญญาณดิจิทัลไปยังสัญญาณแอนะล็อกจะปรากฏขึ้น ปัญหาประเภทนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเพราะไม่มีกราวด์ที่ถูกแบ่ง สาเหตุที่แท้จริงคือการเดินสายสัญญาณดิจิตอลที่ไม่เหมาะสม

การออกแบบ PCB ใช้กราวด์แบบครบวงจรผ่านวงจรดิจิทัลและพาร์ติชั่นวงจรแอนะล็อกและการเดินสายสัญญาณที่เหมาะสม มักจะสามารถแก้ปัญหารูปแบบและสายไฟที่ยากขึ้น และในขณะเดียวกันก็จะไม่ทำให้เกิดปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการแบ่งกราวด์ ในกรณีนี้ เลย์เอาต์และการแบ่งพาร์ติชั่นของส่วนประกอบจะกลายเป็นกุญแจสำคัญในการกำหนดข้อดีและข้อเสียของการออกแบบ หากเลย์เอาต์นั้นสมเหตุสมผล กระแสกราวด์ดิจิทัลจะถูกจำกัดเฉพาะส่วนดิจิทัลของแผงวงจรและจะไม่รบกวนสัญญาณแอนะล็อก การเดินสายดังกล่าวจะต้องได้รับการตรวจสอบและตรวจสอบอย่างรอบคอบเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามกฎการเดินสาย 100% มิฉะนั้น การกำหนดเส้นทางที่ไม่เหมาะสมของสายสัญญาณจะทำลายแผงวงจรที่ดีมากโดยสิ้นเชิง

เมื่อเชื่อมต่อกราวด์แอนะล็อกและพินกราวด์ดิจิทัลของคอนเวอร์เตอร์ A/D เข้าด้วยกัน ผู้ผลิตคอนเวอร์เตอร์ A/D ส่วนใหญ่จะแนะนำ: เชื่อมต่อพิน AGND และ DGND เข้ากับกราวด์อิมพีแดนซ์ต่ำเดียวกันผ่านลีดที่สั้นที่สุด (หมายเหตุ: เนื่องจากชิปตัวแปลง A/D ส่วนใหญ่ไม่ได้เชื่อมต่อกราวด์แอนะล็อกและกราวด์ดิจิทัลเข้าด้วยกัน จึงต้องเชื่อมต่อกราวด์อนาล็อกและดิจิทัลผ่านพินภายนอก) อิมพีแดนซ์ภายนอกใดๆ ที่เชื่อมต่อกับ DGND จะผ่านความจุกาฝาก สัญญาณรบกวนดิจิตอลเพิ่มเติมจะถูกรวมเข้ากับวงจรแอนะล็อกภายใน IC ตามคำแนะนำนี้ คุณต้องเชื่อมต่อพิน AGND และ DGND ของตัวแปลง A/D กับกราวด์แอนะล็อก แต่วิธีนี้จะทำให้เกิดปัญหา เช่น ว่าขั้วต่อกราวด์ของตัวเก็บประจุตัวแยกสัญญาณดิจิทัลควรเชื่อมต่อกับกราวด์แอนะล็อกหรือไม่ หรือสนามดิจิทัล

วิธีบรรลุการออกแบบพาร์ติชั่นของ PCB แบบผสมสัญญาณ

หากระบบมีตัวแปลง A/D เพียงตัวเดียว ปัญหาข้างต้นสามารถแก้ไขได้ง่าย ดังแสดงในรูปที่ 3 แบ่งกราวด์ และเชื่อมต่อกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลกราวด์เข้าด้วยกันภายใต้ตัวแปลง A/D เมื่อใช้วิธีนี้ จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าความกว้างของบริดจ์เชื่อมต่อระหว่างกราวด์ทั้งสองนั้นเท่ากับความกว้างของ IC และสายสัญญาณใดๆ ไม่สามารถข้ามช่องว่างการหารได้

หากมีตัวแปลง A/D จำนวนมากในระบบ เช่น จะเชื่อมต่อตัวแปลง A/D 10 ตัวได้อย่างไร หากกราวด์แอนะล็อกและกราวด์ดิจิทัลเชื่อมต่อกันภายใต้คอนเวอร์เตอร์ A/D แต่ละตัว การเชื่อมต่อแบบหลายจุดจะถูกสร้างขึ้น และการแยกระหว่างกราวด์แอนะล็อกและกราวด์ดิจิทัลจะไม่มีความหมาย หากคุณไม่เชื่อมต่อด้วยวิธีนี้ แสดงว่าละเมิดข้อกำหนดของผู้ผลิต