PCB thiết kế mạch tín hiệu hỗn hợp 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 nguồn điện và mặt đất được giới thiệu trong bài báo này có thể tối ưu hóa hiệu suất của các mạch tín hiệu hỗn hợp.

Làm thế nào để giảm nhiễu giữa tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu tương tự? Hai nguyên tắc cơ bản của tương thích điện từ (EMC) phải được hiểu trước khi thiết kế: nguyên tắc đầu tiên là giảm thiểu diện tích của vòng lặp hiện tại; Nguyên tắc thứ hai là hệ thống chỉ sử dụng một mặt phẳng tham chiếu. Ngược lại, nếu hệ thống có hai mặt phẳng tham chiếu, có thể tạo thành một ăng ten lưỡng cực (lưu ý: bức xạ của một ăng ten lưỡng cực nhỏ tỷ lệ với độ dài của đường thẳng, lượng dòng điện chạy qua và tần số). Nếu tín hiệu không trở lại qua vòng lặp nhỏ nhất có thể, một ăng-ten hình tròn lớn có thể được hình thành. Tránh cả hai trong thiết kế của bạn càng nhiều càng tốt.

Người ta đã đề xuất tách đất kỹ thuật số và đất tương tự trên bảng mạch tín hiệu hỗn hợp để đạt được sự cách ly giữa mặt đất kỹ thuật số và mặt đất tương tự. Mặc dù cách tiếp cận này là khả thi nhưng nó tiềm ẩn nhiều vấn đề, đặc biệt là trong các hệ thống lớn và phức tạp. Vấn đề quan trọng nhất là không được vượt qua hệ thống dây khoảng cách phân vùng, một khi vượt qua hệ thống dây khoảng cách phân vùng, bức xạ điện từ và nhiễu xuyên âm tín hiệu sẽ tăng lên đáng kể. Sự cố phổ biến nhất trong thiết kế PCB là sự cố EMI gây ra bởi đường tín hiệu đi qua mặt đất hoặc nguồn điện.

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

Hiểu được đường đi và phương thức của dòng điện ngược xuống đất 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 mà bỏ qua đường đi cụ thể của dòng điện. Nếu lớp đất phải được phân vùng và phải được định tuyến qua khe hở giữa các vách ngăn thì có thể thực hiện một kết nối điểm duy nhất giữa mặt đất được phân vùng để tạo thành cầu nối giữa hai lớp đất và sau đó được định tuyến qua cầu nối. Bằng cách này, một đường dẫn dòng ngược dòng một chiều có thể được cung cấp bên dưới mỗi đường tín hiệu, dẫn đến một khu vực vòng lặp nhỏ.

Thiết bị cách ly quang hoặc máy biến áp cũng có thể được sử dụng để nhận ra tín hiệu vượt qua khoảng cách phân đoạn. Đối với trước đây, nó là tín hiệu quang học mở rộng khoảng cách phân đoạn. Trong trường hợp của một máy biến áp, nó là từ trường kéo dài khoảng cách phân vùng. Các tín hiệu khác biệt cũng có thể xảy ra: các tín hiệu đi vào từ một đường và trở lại từ đường kia, trong trường hợp đó, chúng được sử dụng làm đường dẫn ngược một cách không cần thiết.

Để tìm hiểu sự giao thoa của tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, trước tiên chúng ta phải hiểu các đặc điểm của dòng điện tần số cao. Dòng điện cao tần luôn chọn đường dẫn có trở kháng (độ tự cảm) thấp nhất ngay bên dưới tín hiệu, do đó dòng điện trở lại sẽ chạy qua lớp mạch lân cận, bất kể lớp kế cận là lớp cấp nguồn hay lớp đất.

Trong thực tế, thường được ưu tiên sử dụng phân vùng PCB đồng nhất thành các phần tương tự và kỹ thuật số. Tín hiệu tương tự được định tuyến trong vùng tương tự của tất cả các lớp của bo mạch, trong khi 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 không chảy vào mặt đất của tín hiệu tương tự.

Nhiễu từ tín hiệu kỹ thuật số sang tín hiệu tương tự chỉ xảy ra khi tín hiệu kỹ thuật số được chuyển qua hoặc tín hiệu tương tự được chuyển qua các bộ phận kỹ thuật số của bảng mạch. Vấn đề này không phải do thiếu phân đoạn, nguyên nhân thực sự là do đấu dây tín hiệu kỹ thuật số không đúng cách.

Thiết kế PCB sử dụng thống nhất, thông qua phân vùng mạch kỹ thuật số và mạch tương tự và dây tín hiệu thích hợp, thường có thể giải quyết một số vấn đề bố trí và đi dây khó khăn hơn, nhưng cũng không có một số rắc rối tiềm ẩn do phân đoạn mặt đất. Trong trường hợp này, việc bố trí và phân chia các thành phần trở nên quan trọng trong việc xác định chất lượng của thiết kế. Nếu được bố trí đúng cách, dòng điện nối đất kỹ thuật số sẽ được giới hạn trong phần kỹ thuật số của bo mạch và không gây nhiễu tín hiệu tương tự. Hệ thống dây điện như vậy phải được kiểm tra và kiểm tra cẩn thận để đảm bảo tuân thủ 100% các quy tắc đi dây. Nếu không, một đường tín hiệu không phù hợp sẽ phá hủy hoàn toàn một bảng mạch rất tốt.

Khi kết nối các chân nối đất tương tự và kỹ thuật số của bộ chuyển đổi A / D với nhau, hầu hết các nhà sản xuất bộ chuyển đổi A / D khuyên bạn nên kết nối các chân AGND và DGND với cùng một mặt đất trở kháng thấp bằng cách sử dụng dây dẫn ngắn nhất (Lưu ý: Bởi vì hầu hết các chip chuyển đổi A / D không kết nối mặt đất tương tự và kỹ thuật số với nhau bên trong, mặt đất tương tự và kỹ thuật số phải được kết nối qua các chân bên ngoài), bất kỳ trở kháng bên ngoài nào được kết nối với DGND sẽ tạo ra nhiều nhiễu kỹ thuật số hơn đến mạch tương tự bên trong IC thông qua ký sinh điện dung. Theo khuyến nghị này, cả hai chân AGND và DGND của bộ chuyển đổi A / D đều cần được kết nối với mặt đất tương tự, nhưng cách tiếp cận này đặt ra các câu hỏi như liệu đầu nối đất của tụ điện tách tín hiệu kỹ thuật số nên được kết nối với mặt đất tương tự hoặc kỹ thuật số.

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

Nếu hệ thống có nhiều bộ chuyển đổi A / D, ví dụ, 10 bộ chuyển đổi A / D làm thế nào để kết nối? Nếu mặt đất tương tự và kỹ thuật số được kết nối dưới mỗi bộ chuyển đổi A / D, kết nối đa điểm sẽ tạo ra kết nối và sự cách ly giữa mặt đất tương tự và kỹ thuật số sẽ trở nên vô nghĩa. Nếu không, bạn đã vi phạm các yêu cầu của nhà sản xuất.

Cách tốt nhất là bắt đầu với đồng phục. Như trong Hình 4, mặt đất được chia thành các phần tương tự và kỹ thuật số. Cách bố trí này không chỉ đáp ứng yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị vi mạch về kết nối trở kháng thấp của các chân nối đất tương tự và kỹ thuật số, mà còn tránh các sự cố EMC do ăng ten vòng hoặc ăng ten lưỡng cực gây ra.

Nếu bạn nghi ngờ về cách tiếp cận thống nhất của thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp, bạn có thể sử dụng phương pháp phân vùng lớp mặt đất để bố trí và định tuyến toàn bộ bảng mạch. Trong thiết kế, cần chú ý làm cho bảng mạch dễ dàng được kết nối với nhau bằng jumper hoặc điện trở 0 ohm đặt cách nhau dưới 1/2 inch trong thí nghiệm sau. Chú ý đến việc phân vùng và đi dây để đảm bảo rằng không có đường tín hiệu kỹ thuật số nào ở phía trên phần tương tự trên tất cả các lớp và không có đường tín hiệu tương tự nào ở phía trên phần kỹ thuật số. Hơn nữa, không có đường dây tín hiệu nào nên vượt qua khoảng cách nối đất hoặc phân chia khoảng cách giữa các nguồn điện. Để kiểm tra chức năng của bo mạch và hiệu suất EMC, hãy kiểm tra lại chức năng của bo mạch và hiệu suất EMC bằng cách kết nối hai tầng với nhau thông qua điện trở 0 ohm hoặc jumper. So sánh các kết quả thử nghiệm, người ta thấy rằng trong hầu hết các trường hợp, giải pháp hợp nhất đều vượt trội hơn về chức năng và hiệu suất EMC so với giải pháp phân tách.

Phương pháp chia đất có còn hiệu quả không?

Cách tiếp cận này có thể được sử dụng trong ba trường hợp: một số thiết bị y tế yêu cầu dòng điện rò rỉ rất thấp giữa các mạch và hệ thống được kết nối với bệnh nhân; Đầu ra của một số thiết bị điều khiển quá trình công nghiệp có thể được kết nối với thiết bị cơ điện ồn ào và công suất lớn; Một trường hợp khác là khi BỐ TRÍ của PCB phải tuân theo các hạn chế cụ thể.

Thường có các bộ cấp nguồn kỹ thuật số và tương tự riêng biệt trên bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp có thể và nên có mặt cấp nguồn phân chia. Tuy nhiên, các đường tín hiệu tiếp giáp với lớp cấp nguồn không thể vượt qua khe hở giữa các nguồn cấp, và tất cả các đường tín hiệu đi qua khe hở phải nằm trên tầng mạch tiếp giáp với diện tích lớn. Trong một số trường hợp, nguồn điện tương tự có thể được thiết kế với các kết nối PCB thay vì một mặt để tránh bị tách mặt nguồn.

Thiết kế phân vùng của PCB tín hiệu hỗn hợp

Thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp là một quá trình phức tạp, quá trình thiết kế cần chú ý đến những điểm sau:

1. Chia PCB thành các phần tương tự và kỹ thuật số riêng biệt.

2. Cách bố trí thành phần hợp lý.

3. Bộ chuyển đổi A / D được đặt trên các phân vùng.

4. Đừng phân chia mặt bằng. Phần tương tự và phần kỹ thuật số của bảng mạch được đặt đồng nhất.

5. Trong tất cả các lớp của bảng, tín hiệu kỹ thuật số chỉ có thể được định tuyến trong phần kỹ thuật số của bảng.

6. Trong tất cả các lớp của bo mạch, tín hiệu tương tự chỉ có thể được định tuyến trong phần tương tự của bo mạch.

7. Tách nguồn điện tương tự và kỹ thuật số.

8. Đi dây không được kéo dài qua khe hở giữa các bề mặt cấp nguồn được phân chia.

9. Các đường tín hiệu phải kéo dài khoảng cách giữa các bộ nguồn được chia nhỏ nên được đặt trên lớp dây tiếp giáp với một khu vực rộng lớn.

10. Phân tích đường đi và chế độ thực tế của dòng điện đất.

11. Sử dụng đúng quy tắc đi dây.