Tóm tắt: Thiết kế của mạch tín hiệu hỗn hợp PCB là rất phức tạp. Cách bố trí và đi dây của các thành phần và quá trình xử lý nguồn điện và dây nối đất sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất mạch và hiệu suất tương thích điện từ. Thiết kế phân vùng của đất và nguồn được giới thiệu trong bài viết này có thể tối ưu hóa hiệu suất của các mạch tín hiệu hỗn hợp.

Làm thế nào để giảm nhiễu lẫn nhau giữa tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu tương tự? Trước khi thiết kế, chúng ta phải hiểu hai nguyên tắc cơ bản của tương thích điện từ (EMC): Nguyên tắc thứ nhất là giảm thiểu diện tích của vòng lặp hiện tại; nguyên tắc thứ hai là hệ thống chỉ sử dụng một bề mặt tham chiếu. Ngược lại, nếu hệ thống có hai mặt phẳng tham chiếu thì có thể tạo thành anten lưỡng cực (Lưu ý: kích thước bức xạ của anten lưỡng cực nhỏ tỷ lệ với độ dài của đường thẳng, lượng dòng điện chạy qua và tần số); và nếu tín hiệu không thể đi qua càng nhiều càng tốt. Sự trở lại của một vòng lặp nhỏ có thể tạo thành một ăng ten vòng lớn (Lưu ý: kích thước bức xạ của một ăng ten vòng nhỏ tỷ lệ với diện tích vòng lặp, dòng điện chạy qua vòng lặp và bình phương tần số). Tránh hai trường hợp này càng nhiều càng tốt trong thiết kế.

Nên tách đất kỹ thuật số và đất tương tự trên bảng mạch tín hiệu hỗn hợp, để có thể đạt được sự cách ly giữa đất kỹ thuật số và đất tương tự. Mặc dù phương pháp này là khả thi, nhưng có nhiều vấn đề tiềm ẩn, đặc biệt là trong các hệ thống quy mô lớn phức tạp. Vấn đề quan trọng nhất là nó không thể được định tuyến qua khoảng cách phân chia. Một khi khoảng cách phân chia được định tuyến, bức xạ điện từ và nhiễu xuyên âm tín hiệu sẽ tăng mạnh. Vấn đề phổ biến nhất trong thiết kế PCB là đường tín hiệu đi qua mặt đất được phân chia hoặc nguồn cung cấp và tạo ra các vấn đề về EMI.

Làm thế nào để đạt được thiết kế phân vùng của PCB tín hiệu hỗn hợp

Như trong hình 1, chúng tôi sử dụng phương pháp phân chia nêu trên, và đường tín hiệu vượt qua khoảng cách giữa hai cơ sở. Đường trở lại của tín hiệu hiện tại là gì? Giả sử rằng hai mặt đất được phân chia được kết nối với nhau ở một nơi nào đó (thường là một điểm kết nối duy nhất tại một vị trí nhất định), trong trường hợp này, dòng điện đất sẽ tạo thành một vòng lớn. Dòng điện tần số cao chạy qua vòng lặp lớn tạo ra bức xạ và điện cảm chạm đất cao. Nếu dòng điện tương tự mức thấp chạy qua vòng lặp lớn, dòng điện dễ bị nhiễu bởi các tín hiệu bên ngoài. Điều tồi tệ nhất là khi các mặt bằng được phân chia được kết nối với nhau tại nguồn điện, một vòng lặp dòng điện rất lớn sẽ được hình thành. Ngoài ra, mặt đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số được kết nối bằng một dây dài để tạo thành một ăng-ten lưỡng cực.

Hiểu được đường đi và phương thức quay trở lại mặt đất của dòng điện là chìa khóa để tối ưu hóa thiết kế bảng mạch tín hiệu hỗn hợp. Nhiều kỹ sư thiết kế chỉ xem xét nơi dòng tín hiệu chạy qua, và bỏ qua đường đi cụ thể của dòng điện. Nếu lớp đất phải được phân chia và hệ thống dây điện phải được luồn qua khe hở giữa các vạch chia, có thể thực hiện kết nối một điểm giữa các mặt đất được phân chia để tạo thành cầu nối giữa hai mặt đất, sau đó đi dây qua cầu nối. . Bằng cách này, một đường trở lại dòng điện một chiều có thể được cung cấp dưới mỗi đường tín hiệu, do đó diện tích vòng lặp được hình thành là nhỏ.

Việc sử dụng thiết bị cách ly quang hoặc máy biến áp cũng có thể đạt được tín hiệu qua khoảng cách phân đoạn. Đối với trước đây, đó là tín hiệu quang vượt qua khoảng cách phân đoạn; trong trường hợp của máy biến áp, đó là từ trường vượt qua khe hở phân đoạn. Một phương pháp khả thi khác là sử dụng các tín hiệu vi sai: tín hiệu đi vào từ một đường và trở lại từ một đường tín hiệu khác. Trong trường hợp này, mặt đất không cần thiết làm đường quay trở lại.

Để đi sâu tìm hiểu sự giao thoa của tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, trước hết chúng ta phải hiểu được các đặc tính của dòng điện tần số cao. Đối với dòng điện tần số cao, luôn chọn đường dẫn có trở kháng nhỏ nhất (điện cảm thấp nhất) và nằm ngay bên dưới tín hiệu, như vậy dòng điện trở lại sẽ chạy qua lớp mạch lân cận, bất kể lớp kế cận là lớp nguồn hay lớp đất. .

Trong công việc thực tế, người ta thường có xu hướng sử dụng một mặt bằng thống nhất và chia PCB thành một phần tương tự và một phần kỹ thuật số. Tín hiệu tương tự được định tuyến trong vùng tương tự của tất cả các lớp của bảng mạch, và tín hiệu kỹ thuật số được định tuyến trong vùng mạch kỹ thuật số. Trong trường hợp này, dòng điện trở lại của tín hiệu kỹ thuật số sẽ không chảy vào mặt đất của tín hiệu tương tự.

Chỉ khi tín hiệu kỹ thuật số có dây trên phần tương tự của bảng mạch hoặc tín hiệu tương tự được nối với phần kỹ thuật số của bảng mạch, thì hiện tượng nhiễu tín hiệu kỹ thuật số với tín hiệu tương tự mới xuất hiện. Loại sự cố này không xảy ra bởi vì không có mặt đất được phân chia, nguyên nhân thực sự là do đấu dây tín hiệu kỹ thuật số không đúng cách.

Thiết kế PCB thông qua mặt đất thống nhất, thông qua phân vùng mạch kỹ thuật số và mạch tương tự và hệ thống dây tín hiệu thích hợp, thường có thể giải quyết một số vấn đề về bố trí và đi dây khó khăn hơn, đồng thời, nó sẽ không gây ra một số rắc rối tiềm ẩn do phân chia mặt đất. Trong trường hợp này, cách bố trí và phân chia các thành phần trở thành chìa khóa để xác định ưu và nhược điểm của thiết kế. Nếu bố trí hợp lý, dòng điện nối đất kỹ thuật số sẽ được giới hạn trong phần kỹ thuật số của bảng mạch và không gây nhiễu tín hiệu tương tự. Hệ thống dây điện như vậy phải được kiểm tra và xác minh cẩn thận để đảm bảo rằng các quy tắc đi dây được tuân thủ 100%. Nếu không, việc định tuyến đường tín hiệu không đúng cách sẽ phá hủy hoàn toàn một bảng mạch rất tốt.

Khi kết nối chân nối đất tương tự và chân nối đất kỹ thuật số của bộ chuyển đổi A / D với nhau, hầu hết các nhà sản xuất bộ chuyển đổi A / D sẽ đề xuất: Kết nối chân AGND và DGND với cùng một mặt đất trở kháng thấp thông qua dây dẫn ngắn nhất. (Lưu ý: Bởi vì hầu hết các chip chuyển đổi A / D không kết nối đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số với nhau, mặt đất tương tự và kỹ thuật số phải được kết nối thông qua các chân bên ngoài.) Bất kỳ trở kháng bên ngoài nào được kết nối với DGND sẽ vượt qua điện dung ký sinh. Nhiều nhiễu kỹ thuật số được kết hợp với các mạch tương tự bên trong IC. Theo khuyến nghị này, bạn cần kết nối các chân AGND và DGND của bộ chuyển đổi A / D với mặt đất tương tự, nhưng phương pháp này sẽ gây ra các vấn đề như đầu nối đất của tụ tách tín hiệu kỹ thuật số có được kết nối với mặt đất tương tự hay không. hoặc mặt đất kỹ thuật số.

Làm thế nào để đạt được thiết kế phân vùng của PCB tín hiệu hỗn hợp

Nếu hệ thống chỉ có một bộ chuyển đổi A / D, các vấn đề trên có thể được giải quyết dễ dàng. Như thể hiện trong Hình 3, phân chia đất và kết nối mặt đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số với nhau dưới bộ chuyển đổi A / D. Khi áp dụng phương pháp này, cần đảm bảo rằng chiều rộng của cầu nối giữa hai sân bằng chiều rộng của IC và bất kỳ đường tín hiệu nào cũng không được vượt qua khoảng cách phân chia.

Ví dụ: nếu có nhiều bộ chuyển đổi A / D trong hệ thống, làm thế nào để kết nối 10 bộ chuyển đổi A / D? Nếu mặt đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số được kết nối với nhau dưới mỗi bộ chuyển đổi A / D, kết nối đa điểm sẽ được tạo ra và sự cách ly giữa mặt đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số là vô nghĩa. Nếu bạn không kết nối theo cách này, nó vi phạm yêu cầu của nhà sản xuất.