PCB karışık sinyal devresinin tasarımı çok karmaşıktır. Bileşenlerin yerleşimi ve kablolanması ile güç kaynağı ve topraklama kablosunun işlenmesi, devre performansını ve elektromanyetik uyumluluk performansını doğrudan etkileyecektir. Bu yazıda tanıtılan toprak ve güç kaynağının bölme tasarımı, karışık sinyal devrelerinin performansını optimize edebilir.

Dijital ve analog sinyaller arasındaki parazit nasıl azaltılır? Tasarımdan önce elektromanyetik uyumluluğun (EMC) iki temel ilkesi anlaşılmalıdır: ilk ilke, akım döngüsünün alanını en aza indirmektir; İkinci ilke, sistemin yalnızca bir referans düzlemi kullanmasıdır. Aksine, sistemin iki referans düzlemi varsa, bir dipol anten oluşturmak mümkündür (not: küçük bir dipol antenin radyasyonu, hattın uzunluğu, akan akım miktarı ve frekans ile orantılıdır). Sinyal mümkün olan en küçük döngüden geri dönmezse, büyük bir dairesel anten oluşturulabilir. Her ikisinden de tasarımınızda mümkün olduğunca kaçının.

Dijital toprak ile analog toprak arasında izolasyon sağlamak için karışık sinyal devre kartındaki dijital toprak ve analog topraklamanın ayrılması önerilmiştir. Bu yaklaşım uygulanabilir olmasına rağmen, özellikle büyük ve karmaşık sistemlerde birçok potansiyel problemi vardır. En kritik sorun, bölme boşluğu kablolarını geçmemek, bölme boşluğu kablolarını geçtikten sonra elektromanyetik radyasyon ve sinyal karışması önemli ölçüde artacaktır. PCB tasarımında en sık karşılaşılan sorun, sinyal hattının zeminden veya güç kaynağından geçmesinden kaynaklanan EMI sorunudur.

Şekil 1’de gösterildiği gibi, yukarıdaki segmentasyon yöntemini kullanıyoruz ve sinyal hattı iki toprak arasındaki boşluğu kaplıyor, sinyal akımının dönüş yolu nedir? İki bölünmüş arazinin bir noktada (genellikle bir noktada tek bir nokta) birbirine bağlı olduğunu varsayalım, bu durumda toprak akımı büyük bir döngü oluşturacaktır. Büyük döngüden akan yüksek frekanslı akım, radyasyon ve yüksek toprak endüktansı üretecektir. Büyük döngüden akan düşük seviyeli analog akımın harici sinyaller tarafından müdahale edilmesi kolaydır. En kötüsü de güç kaynağında bölümler birbirine bağlandığında çok büyük bir akım döngüsü oluşuyor. Ek olarak, uzun bir kabloyla bağlanan analog ve dijital toprak, bir dipol anten oluşturur.

Akımın toprağa geri akışının yolunu ve modunu anlamak, karışık sinyalli devre kartı tasarımını optimize etmenin anahtarıdır. Birçok tasarım mühendisi, akımın belirli yolunu göz ardı ederek yalnızca sinyal akımının nereye aktığını dikkate alır. Zemin katmanının bölümlenmesi gerekiyorsa ve bölmeler arasındaki boşluktan yönlendirilmesi gerekiyorsa, iki zemin katmanı arasında bir bağlantı köprüsü oluşturmak için bölünmüş zemin arasında tek noktalı bir bağlantı yapılabilir ve ardından bağlantı köprüsünden geçirilebilir. Bu şekilde, her sinyal hattının altında küçük bir döngü alanı ile sonuçlanan bir doğru akım geri akış yolu sağlanabilir.

Segmentasyon boşluğunu geçen sinyali gerçekleştirmek için optik izolasyon cihazları veya transformatörler de kullanılabilir. Birincisi için, segmentasyon boşluğunu kapsayan optik sinyaldir. Bir transformatör durumunda, bölme boşluğunu kapsayan manyetik alandır. Diferansiyel sinyaller de mümkündür: sinyaller bir hattan akar ve diğerinden geri döner, bu durumda gereksiz yere geri akış yolları olarak kullanılırlar.

Dijital sinyalin analog sinyale girişimini araştırmak için önce yüksek frekanslı akımın özelliklerini anlamamız gerekir. Yüksek frekanslı akım her zaman sinyalin hemen altında en düşük empedansa (endüktans) sahip yolu seçer, bu nedenle geri dönüş akımı, bitişik katmanın güç kaynağı katmanı mı yoksa toprak katmanı mı olduğuna bakılmaksızın bitişik devre katmanından akacaktır.

Pratikte, genellikle analog ve dijital parçalara tek tip bir PCB bölümü kullanılması tercih edilir. Analog sinyaller, kartın tüm katmanlarının analog bölgesinde yönlendirilirken, dijital sinyaller dijital devre bölgesinde yönlendirilir. Bu durumda, dijital sinyal dönüş akımı analog sinyalin toprağına akmaz.

Dijital sinyallerden analog sinyallere parazit, yalnızca dijital sinyaller devre kartının dijital parçaları üzerinden yönlendirildiği veya analog sinyaller üzerinden yönlendirildiği zaman meydana gelir. Bu sorun segmentasyon eksikliğinden kaynaklanmıyor, asıl sebep dijital sinyallerin hatalı kablolanmasıdır.

PCB tasarımı, dijital devre ve analog devre bölümü ve uygun sinyal kablolaması aracılığıyla birleşik kullanır, genellikle daha zor yerleşim ve kablolama problemlerinden bazılarını çözebilir, ancak aynı zamanda toprak segmentasyonundan kaynaklanan bazı potansiyel sorunlara da sahip değildir. Bu durumda, bileşenlerin yerleşimi ve bölümlendirilmesi, tasarımın kalitesini belirlemede kritik hale gelir. Düzgün bir şekilde düzenlenirse, dijital toprak akımı, kartın dijital kısmı ile sınırlı olacak ve analog sinyale müdahale etmeyecektir. Bu tür kablolar, kablolama kurallarına %100 uyum sağlamak için dikkatlice kontrol edilmeli ve kontrol edilmelidir. Aksi takdirde, uygun olmayan bir sinyal hattı, çok iyi bir devre kartını tamamen yok edecektir.

A/D dönüştürücülerin analog ve dijital topraklama pinlerini birbirine bağlarken, çoğu A/D dönüştürücü üreticisi, en kısa uçları kullanarak AGND ve DGND pinlerini aynı düşük empedanslı toprağa bağlamanızı önerir (Not: Çoğu A/D dönüştürücü yongası analog ve dijital toprağı dahili olarak birbirine bağlamadığından, analog ve dijital topraklama harici pimler aracılığıyla bağlanmalıdır), DGND’ye bağlı herhangi bir harici empedans, parazit yoluyla IC içindeki analog devreye daha fazla dijital gürültü bağlayacaktır. kapasite. Bu öneriyi takiben, hem A/D dönüştürücü AGND hem de DGND pinlerinin analog toprağa bağlanması gerekir, ancak bu yaklaşım, dijital sinyal dekuplaj kondansatörünün toprak ucunun analog toprağa mı yoksa dijital toprağa mı bağlanması gerektiği gibi soruları gündeme getirir.

Sistemde yalnızca bir A/D dönüştürücü varsa, yukarıdaki sorun kolayca çözülebilir. Şekil 3’te gösterildiği gibi, toprak bölünmüştür ve analog ve dijital toprak bölümleri A/D dönüştürücüsü altında birbirine bağlanmıştır. Bu yöntem benimsendiğinde, iki site arasındaki köprü genişliğinin IC genişliğine eşit olduğundan ve hiçbir 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 altına analog ve dijital toprak bağlanırsa, çok noktalı bir bağlantı oluşur ve analog ve dijital toprak arasındaki izolasyon anlamsız olur. Bunu yapmazsanız, üreticinin gereksinimlerini ihlal etmiş olursunuz.

En iyi yol bir üniforma ile başlamaktır. Şekil 4’te gösterildiği gibi, zemin homojen olarak analog ve dijital parçalara ayrılmıştır. Bu düzen sadece IC cihaz üreticilerinin analog ve dijital topraklama pinlerinin düşük empedanslı bağlantısı için gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda döngü anteni veya dipol antenin neden olduğu EMC sorunlarını da önler.

Karışık sinyalli PCB tasarımının birleşik yaklaşımı hakkında şüpheleriniz varsa, tüm devre kartını yerleştirmek ve yönlendirmek için toprak katmanı bölme yöntemini kullanabilirsiniz. Tasarımda, devre kartının daha sonraki deneyde 0/1 inçten daha az aralıklı jumper veya 2 ohm dirençlerle birbirine bağlanmasının kolay olmasına dikkat edilmelidir. Tüm katmanlarda hiçbir dijital sinyal hattının analog bölümün üzerinde olmadığından ve hiçbir analog sinyal hattının dijital bölümün üzerinde olmadığından emin olmak için bölgeleme ve kablolamaya dikkat edin. Ayrıca, hiçbir sinyal hattı toprak boşluğunu geçmemeli veya güç kaynakları arasındaki boşluğu bölmemelidir. Kartın işlevini ve EMC performansını test etmek için, iki katı 0 ohm’luk bir direnç veya atlama kablosuyla birbirine bağlayarak kartın işlevini ve EMC performansını yeniden test edin. Test sonuçları karşılaştırıldığında, hemen hemen tüm durumlarda birleşik çözümün işlevsellik ve EMC performansı açısından bölünmüş çözüme göre daha üstün olduğu bulundu.

Toprağı bölme yöntemi hala işe yarıyor mu?

Bu yaklaşım üç durumda kullanılabilir: bazı tıbbi cihazlar, devreler ve hastaya bağlı sistemler arasında çok düşük kaçak akım gerektirir; Bazı endüstriyel proses kontrol ekipmanlarının çıktıları, gürültülü ve yüksek güçlü elektromekanik ekipmanlara bağlanabilir; Başka bir durum, PCB’nin LAYOUT’unun belirli kısıtlamalara tabi olmasıdır.

Karışık sinyalli bir PCB kartı üzerinde genellikle ayrı bir güç kaynağı yüzü olabilen ve olması gereken ayrı dijital ve analog güç kaynakları vardır. Bununla birlikte, güç kaynağı katmanına bitişik sinyal hatları, güç kaynakları arasındaki boşluğu geçemez ve boşluğu geçen tüm sinyal hatları, geniş alana bitişik devre katmanı üzerinde yer almalıdır. Bazı durumlarda, analog güç kaynağı, güç yüzünün bölünmesini önlemek için bir yüz yerine PCB bağlantıları ile tasarlanabilir.

Karışık sinyal PCB’sinin bölüm tasarımı

Karışık sinyalli PCB tasarımı karmaşık bir süreçtir, tasarım sürecinde aşağıdaki noktalara dikkat edilmelidir:

1. PCB’yi ayrı analog ve dijital parçalara ayırın.

2. Uygun bileşen düzeni.

3. A/D dönüştürücü bölümlere yerleştirilmiştir.

4. Yeri bölmeyin. Devre kartının analog kısmı ve dijital kısmı aynı şekilde döşenmiştir.

5. Kartın tüm katmanlarında, dijital sinyal yalnızca kartın dijital kısmına yönlendirilebilir.

6. Kartın tüm katmanlarında analog sinyaller yalnızca kartın analog kısmından yönlendirilebilir.

7. Analog ve dijital güç ayrımı.

8. Kablolama, bölünmüş güç kaynağı yüzeyleri arasındaki boşluğu doldurmamalıdır.

9. Bölünmüş güç kaynakları arasındaki boşluğu kapsaması gereken sinyal hatları, geniş bir alana bitişik kablolama katmanına yerleştirilmelidir.

10. Toprak akımı akışının gerçek yolunu ve modunu analiz edin.

11. Doğru kablolama kurallarını kullanın.