Özet: Karışık sinyal devresinin tasarımı PCB çok karmaşık. Bileşenlerin yerleşimi ve kablolanması ile güç kaynağı ve topraklama kablosunun işlenmesi, devre performansını ve elektromanyetik uyumluluk performansını doğrudan etkileyecektir. Bu makalede tanıtılan toprak ve gücün bölüm tasarımı, karışık sinyal devrelerinin performansını optimize edebilir.

Dijital sinyal ve analog sinyal arasındaki karşılıklı parazit nasıl azaltılır? Tasarım yapmadan önce elektromanyetik uyumluluğun (EMC) iki temel prensibini anlamalıyız: İlk prensip, mevcut döngünün alanını minimize etmektir; ikinci ilke, sistemin yalnızca bir referans yüzeyi kullanmasıdır. Aksine, sistemin iki referans düzlemi varsa, bir dipol anten oluşturmak mümkündür (Not: küçük bir dipol antenin radyasyon boyutu, hattın uzunluğu, akan akım miktarı ve frekans ile orantılıdır); ve sinyal mümkün olduğu kadar geçemiyorsa Küçük bir döngünün dönüşü büyük bir döngü anteni oluşturabilir (Not: küçük bir döngü anteninin radyasyon boyutu, döngü alanı, döngüden akan akım ve kare ile orantılıdır. frekans). Tasarımda mümkün olduğunca bu iki durumdan kaçının.

Dijital toprak ile analog toprak arasındaki izolasyonun sağlanabilmesi için, karışık sinyal devre kartındaki dijital toprak ve analog topraklamanın ayrılması önerilir. Bu yöntem uygulanabilir olmasına rağmen, özellikle karmaşık büyük ölçekli sistemlerde birçok potansiyel sorun vardır. En kritik sorun, bölünme boşluğundan yönlendirilememesidir. Bölme boşluğu yönlendirildiğinde, elektromanyetik radyasyon ve sinyal karışması keskin bir şekilde artacaktır. PCB tasarımındaki en yaygın sorun, sinyal hattının bölünmüş toprak veya güç kaynağını geçmesi ve EMI sorunları oluşturmasıdır.

Karışık sinyalli PCB’nin bölüm tasarımı nasıl elde edilir

Şekil 1’de gösterildiği gibi, yukarıda belirtilen bölme yöntemini kullanıyoruz ve sinyal hattı iki zemin arasındaki boşluğu geçiyor. Sinyal akımının dönüş yolu nedir? Bölünen iki topraklamanın bir yerde birbirine bağlı olduğunu varsayarsak (genellikle belirli bir yerde tek nokta bağlantısı), bu durumda toprak akımı büyük bir döngü oluşturacaktır. Büyük döngüden akan yüksek frekanslı akım, radyasyon ve yüksek toprak endüktansı üretir. Düşük seviyeli analog akım büyük döngüden geçerse, akım harici sinyaller tarafından kolayca engellenir. En kötüsü, güç kaynağında bölünmüş topraklar birbirine bağlandığında çok büyük bir akım döngüsü oluşacaktır. Ek olarak, analog toprak ve dijital toprak, bir dipol anteni oluşturmak için uzun bir kabloyla bağlanır.

Akımın toprağa dönüş yolunu ve yöntemini anlamak, karışık sinyalli devre kartı tasarımını optimize etmenin anahtarıdır. Birçok tasarım mühendisi yalnızca sinyal akımının nereye aktığını dikkate alır ve akımın belirli yolunu göz ardı eder. Toprak katmanının bölünmesi gerekiyorsa ve kablolamanın bölümler arasındaki boşluktan yönlendirilmesi gerekiyorsa, iki toprak arasında bir bağlantı köprüsü oluşturmak için bölünmüş topraklar arasında tek noktalı bir bağlantı yapılabilir ve ardından bağlantı köprüsü üzerinden kablolama yapılabilir. . Bu sayede her sinyal hattının altında bir doğru akım dönüş yolu sağlanarak oluşan döngü alanı küçük olur.

Optik izolasyon cihazlarının veya transformatörlerin kullanımı da segmentasyon boşluğu boyunca sinyal elde edebilir. Birincisi için, segmentasyon boşluğunu geçen optik sinyaldir; bir transformatör durumunda, segmentasyon boşluğunu geçen manyetik alandır. Başka bir uygun yöntem, diferansiyel sinyalleri kullanmaktır: sinyal bir hattan akar ve başka bir sinyal hattından geri döner. Bu durumda zemine dönüş yolu olarak ihtiyaç duyulmaz.

Dijital sinyallerin analog sinyallere girişimini derinlemesine araştırmak için önce yüksek frekanslı akımların özelliklerini anlamamız gerekir. Yüksek frekanslı akımlar için, her zaman en düşük empedanslı (en düşük endüktanslı) ve doğrudan sinyalin altındaki yolu seçin, böylece geri dönüş akımı, bitişik katmanın güç katmanı mı yoksa toprak katmanı mı olduğuna bakılmaksızın bitişik devre katmanından akacaktır. .

Gerçek çalışmada, genellikle birleşik bir zemin kullanma ve PCB’yi bir analog parça ve bir dijital parça olarak ayırma eğilimindedir. Analog sinyal, devre kartının tüm katmanlarının analog alanına yönlendirilir ve dijital sinyal, dijital devre alanına yönlendirilir. Bu durumda, dijital sinyal dönüş akımı analog sinyal toprağına akmayacaktır.

Sadece devre kartının analog kısmına dijital sinyal bağlandığında veya devre kartının dijital kısmına analog sinyal bağlandığında, dijital sinyalin analog sinyale girişimi görünecektir. Bu tür bir sorun, bölünmüş topraklama olmadığı için oluşmaz, asıl sebep dijital sinyalin yanlış kablolanmasıdır.

PCB tasarımı, dijital devre ve analog devre bölümü ve uygun sinyal kablolaması yoluyla birleşik topraklamayı benimser, genellikle bazı daha zor yerleşim ve kablolama sorunlarını çözebilir ve aynı zamanda, toprak bölümünün neden olduğu bazı olası sorunlara neden olmaz. Bu durumda, bileşenlerin yerleşimi ve bölümlendirilmesi, tasarımın artılarını ve eksilerini belirlemenin anahtarı haline gelir. Düzen makul ise, dijital toprak akımı devre kartının dijital kısmı ile sınırlı olacak ve analog sinyale müdahale etmeyecektir. Bu tür kablolar, kablolama kurallarına %100 uyulduğundan emin olmak için dikkatlice incelenmeli ve doğrulanmalıdır. Aksi takdirde, bir sinyal hattının yanlış yönlendirilmesi, aksi takdirde çok iyi bir devre kartını tamamen yok edecektir.

A/D dönüştürücünün analog toprak ve dijital toprak pinlerini birbirine bağlarken, çoğu A/D dönüştürücü üreticisi şunları önerecektir: AGND ve DGND pinlerini en kısa kablo üzerinden aynı düşük empedanslı toprağa bağlayın. (Not: Çoğu A/D dönüştürücü yongası analog toprağı ve dijital toprağı birbirine bağlamadığından, analog ve dijital topraklama harici pinler aracılığıyla bağlanmalıdır.) DGND’ye bağlı herhangi bir harici empedans parazitik kapasitansı geçecektir. IC içindeki analog devrelere daha fazla dijital gürültü bağlanır. Bu öneriye göre A/D dönüştürücünün AGND ve DGND pinlerini analog toprağa bağlamanız gerekiyor ancak bu yöntem dijital sinyal dekuplaj kondansatörünün toprak terminalinin analog toprağa bağlanıp bağlanmaması gibi sorunlara yol açacaktır. veya dijital zemin.

Karışık sinyalli PCB’nin bölüm tasarımı nasıl elde edilir

Sistemde yalnızca bir A/D dönüştürücü varsa, yukarıdaki sorunlar kolayca çözülebilir. Şekil 3’te gösterildiği gibi, toprağı ayırın ve analog toprak ile dijital toprağı A/D dönüştürücünün altında birbirine bağlayın. Bu yöntemi uygularken, iki zemin arasındaki bağlantı köprüsünün genişliğinin IC’nin genişliği ile aynı olduğundan ve herhangi bir sinyal hattının bölme boşluğunu geçemeyeceğinden emin olmak gerekir.

Sistemde çok sayıda A/D dönüştürücü varsa, örneğin 10 A/D dönüştürücü nasıl bağlanır? Her A/D dönüştürücünün altında analog toprak ve dijital toprak birbirine bağlanırsa, çok noktalı bağlantı oluşturulur ve analog toprak ile dijital toprak arasındaki izolasyon anlamsızdır. Bu şekilde bağlanmazsanız, üreticinin gereksinimlerini ihlal eder.