Leiterplatte Blog - Partition Design von Mixed Signal PCB Board

Das Design des Mixed-Signals Leiterplatte ist sehr kompliziert, und die Anordnung und Verdrahtung der Komponenten, sowie die Handhabung der Strom- und Erdungskabel, wirkt sich direkt auf die Schaltungsleistung und die elektromagnetische Kompatibilitätsleistung aus. Das in diesem Artikel beschriebene Trennungsdesign von Masse und Leistung kann die Leistung von Mischsignalschaltungen optimieren. So reduzieren Sie die gegenseitigen Interferenzen zwischen digitalen und analogen Signalen? Two basic principles of electromagnetic compatibility (EMC) must be understood before design: the first principle is to minimize the area of the current loop; the second principle is that the system uses only one reference surface. Im Gegenteil, wenn zwei Bezugsebenen im System vorhanden sind, it is possible to form a dipole antenna (Note: the radiation size of a small dipole antenna is proportional to the length of the wire, die Größe des Stromflusses, und die frequency); and if the signal cannot pass as far as possible When a small loop returns, it is possible to form a large loop antenna (Note: the radiation size of a small loop antenna is proportional to the loop area, der Strom, der durch die Schleife fließt, and the square of the frequency). Beide Situationen sollten bei der Konstruktion so weit wie möglich vermieden werden. Es wurde vorgeschlagen, die digitale und analoge Masse auf einer Mixed-Signal-Leiterplatte zu trennen, damit eine Trennung zwischen der digitalen und analogen Masse erreicht werden kann. Obwohl diese Methode machbar ist, es gibt viele mögliche Probleme, insbesondere bei komplexen Großanlagen. Das Hauptproblem ist, dass die Verkabelung nicht über den Spalt gekreuzt werden kann. Sobald die Verkabelung gekreuzt ist, Die elektromagnetische Strahlung und das Signal Übersprechen werden dramatisch zunehmen. Ein häufiges Problem in Leiterplatte Design ist, dass die Signalleitung die geteilte Masse oder Stromversorgung überquert, um EMI-Probleme zu erzeugen.

Wir verwenden die obige Aufteilungsmethode, und die Signalleitung überspannt die Lücke zwischen den beiden Erdungen, was ist der Rückweg des Signalstroms? Angenommen, dass die beiden geteilten Erdungen irgendwo miteinander verbunden sind (normalerweise eine Einzelpunktverbindung an einer bestimmten Stelle), bildet in diesem Fall der Erdungsstrom eine große Schleife. Der Hochfrequenzstrom, der durch die große Schleife fließt, erzeugt Strahlung und hohe Erdinduktivität. Wenn der niedrige Analogstrom, der durch die große Schleife fließt, sehr leicht durch externe Signale gestört werden kann. Wenn die geteilten Erdungen an der Stromversorgung miteinander verbunden werden, entsteht leider eine sehr große Stromschleife. Darüber hinaus werden die analoge Masse und die digitale Masse durch einen langen Draht miteinander verbunden, um eine Dipolantenne zu bilden. Zu wissen, wo und wie Strom zur Erde zurückkehrt, ist der Schlüssel zur Optimierung von Mixed-Signal-Boards. Viele Konstrukteure berücksichtigen nur, wo der Signalstrom fließt und ignorieren dabei den spezifischen Pfad des Stroms. Wenn die Masseschicht geteilt werden muss und die Verkabelung durch den Spalt zwischen den Abteilungen geführt werden muss, kann eine Einpunktverbindung zwischen den geteilten Erdungen hergestellt werden, um eine Verbindungsbrücke zwischen den beiden Erdungen zu bilden und dann durch die Verbindungsbrücke geführt werden. Auf diese Weise kann unter jeder Signalleitung ein Gleichstrom-Rückweg vorgesehen werden, so dass die gebildete Schleifenfläche klein ist. Signale über den Spaltspalt können auch mit optischen Isolatoren oder Transformatoren erreicht werden. Bei ersterem ist es das optische Signal, das die Teilungslücke überschreitet; Im Falle eines Transformators ist es das Magnetfeld, das die Teilungsspalte überschreitet. Ein weiterer möglicher Ansatz ist die Verwendung von Differentialsignalen: Das Signal fließt von einer Leitung und kehrt von der anderen zurück, in diesem Fall wird der Boden nicht als Rückweg benötigt. Um die Interferenz von digitalen Signalen zu analogen Signalen tief zu erforschen, müssen wir zuerst die Eigenschaften von hochfrequenten Strömen verstehen. Hochfrequenzströme wählen immer die Impedanz (Induktivität), einen Pfad direkt unter dem Signal, so dass der Rückstrom durch eine benachbarte Schaltungsschicht fließt, unabhängig davon, ob diese benachbarte Schicht eine Leistungs- oder Masseebene ist.

In der Praxis wird es im Allgemeinen bevorzugt, eine einheitliche Masse zu verwenden, und die Leiterplatte ist in einen analogen Teil und einen digitalen Teil unterteilt. Analoge Signale werden im analogen Bereich auf allen Schichten der Platine geroutet, während digitale Signale im digitalen Schaltungsbereich geroutet werden. In diesem Fall fließt der digitale Signalrückstrom nicht in die analoge Signalmasse. Digital-zu-Analog-Interferenzen treten nur auf, wenn digitale Signale über den analogen Teil der Platine geroutet werden oder analoge Signale über den digitalen Teil der Platine geroutet werden. Dieses Problem liegt nicht daran, dass es keine geteilte Masse gibt, der wahre Grund ist die falsche Verdrahtung des digitalen Signals. Das Leiterplattendesign nimmt einen einheitlichen Boden an. Durch die Aufteilung von digitalen Schaltungen und analogen Schaltungen und einer geeigneten Signalverdrahtung können einige schwierige Layout- und Verdrahtungsprobleme in der Regel gelöst werden, und einige potenzielle Probleme, die durch Erdung verursacht werden, werden nicht verursacht. In diesem Fall wird das Layout und die Aufteilung der Komponenten der Schlüssel zur Bestimmung der Qualität des Designs. Mit dem richtigen Layout sind digitale Masseströme auf den digitalen Teil der Platine beschränkt und stören analoge Signale nicht. Diese Verkabelung muss sorgfältig überprüft und überprüft werden, um 100% Einhaltung der Verdrahtungsregeln zu gewährleisten. Andernfalls kann eine falsch verlegte Signalleitung eine ansonsten sehr gute Leiterplatte komplett zerstören. Beim Verbinden der analogen Massepunkte und der digitalen Massepunkte des A/D-Wandlers empfehlen die meisten A/D-Wandler-Hersteller, die AGND- und DGND-Pins mit der gleichen niederohmigen Masse mit kurzen Leitungen anzuschließen. (Hinweis: Da die meisten A/D-Wandlerchips die analoge Masse und die digitale Masse nicht miteinander verbinden, müssen die analoge und digitale Masse durch externe Pins angeschlossen werden), wird jede externe Impedanz, die an DGND angeschlossen ist, die parasitäre Kapazität übergeben. Mehr digitales Rauschen wird an die analoge Schaltung im IC gekoppelt. Nach dieser Empfehlung müssen sowohl die AGND- als auch die DGND-Pins des A/D-Wandlers mit analoger Masse verbunden werden, aber dieser Ansatz schafft Probleme wie, ob die Masse des digitalen Signal-Entkopplungskondensators an analoge Masse oder digitale Masse angeschlossen werden soll. Wenn das System nur einen A/D-Wandler hat, ist das obige Problem einfach zu lösen. Wie in Abbildung 3 oben gezeigt, teilen Sie die Masse auf und verbinden Sie die analogen Erdungs- und digitalen Erdungsabschnitte unter dem A/D-Wandler miteinander. Bei dieser Methode muss sichergestellt werden, dass die Breite der Verbindungsbrücke zwischen den beiden Baugründen der Breite des IC entspricht und dass keine Signalleitung den Teilungsspalt überschreiten kann. Wenn es zum Beispiel viele A/D-Wandler im System gibt, wie kann man 10-A/D-Wandler anschließen? Wenn die analoge Masse und die digitale Masse unter jedem A/D-Wandler miteinander verbunden sind, gibt es eine Mehrpunktverbindung, und die Isolierung zwischen der analogen Masse und der digitalen Masse ist bedeutungslos. Und wenn Sie sich nicht so verbinden, verletzen Sie die Anforderungen des Herstellers. Die Lösung besteht darin, mit einem einheitlichen Boden zu beginnen. Wie in Abbildung 4 unten gezeigt, wird die einheitliche Masse in einen analogen und einen digitalen Teil unterteilt. Diese Art von Layout und Verdrahtung erfüllt nicht nur die Anforderungen der IC-Gerätehersteller für den niederohmigen Anschluss von analogen Massen und digitalen Massepunkten, sondern bildet auch keine Schleifenantennen oder Dipolantennen, um EMV-Probleme zu verursachen.

Wenn Sie Zweifel an der einheitlichen Erdungsmethode für das Mixed-Signal-PCB-Design haben, können Sie die Methode zum Aufteilen der Masseschicht verwenden, um die gesamte Leiterplatte zu layouten und zu routen. Achten Sie beim Design darauf, dass die Leiterplatte in nachfolgenden Experimenten einfach zu bedienen ist. Der Abstand ist kleiner als 1/2 Zoll Jumper oder 0-Ohm Widerstände verbinden die geteilten Erdungen miteinander. Achten Sie auf Partitionierung und Routing und stellen Sie sicher, dass sich keine digitalen Signalleitungen auf dem analogen Abschnitt befinden und keine analogen Signalleitungen auf allen Ebenen auf dem digitalen Abschnitt befinden. Außerdem können keine Signalleitungen Erdlücken überspannen oder die Lücke zwischen Netzteilen teilen. Um die Funktionalität und EMV-Leistung der Platine zu testen, testen Sie die Platine erneut auf Funktionalität und EMV-Leistung, indem Sie die beiden Erdungen über einen 0-Ohm-Widerstand oder -Jumper miteinander verbinden. Vergleicht man die Testergebnisse, stellt sich heraus, dass die einheitliche Lösung in fast allen Fällen der segmentierten Lösung hinsichtlich Funktion und EMV-Leistung überlegen ist. Ist die Methode der Aufteilung des Landes noch nützlich? Dieser Ansatz kann in drei Situationen angewendet werden: Einige medizinische Geräte erfordern einen geringen Leckstrom zwischen Schaltkreisen und Systemen, die mit dem Patienten verbunden sind; Einige Ausgänge für industrielle Prozesssteuergeräte können an laute und leistungsstarke elektromechanische Geräte angeschlossen werden; Eine andere Situation ist, wenn das Layout der Leiterplatte bestimmten Einschränkungen unterliegt. Es gibt oft getrennte digitale und analoge Netzteile auf Mixed-Signal PCB und geteilte Leistungsebenen können und sollten verwendet werden. Die Signalleitungen, die unmittelbar an die Stromversorgungsschicht angrenzen, können jedoch den Abstand zwischen den Stromversorgungen nicht überspannen, und alle Signalleitungen, die den Spalt überqueren, müssen sich auf der Schaltungsschicht befinden, die unmittelbar an die großflächige Masse angrenzt. In einigen Fällen kann das Design der analogen Stromversorgung als Leiterplattenanschlussleitung anstelle einer Ebene das Problem der Aufteilung der Energieebene vermeiden.

Mixed-Signal PCB Design ist ein komplexer Prozess. Folgende Punkte sollten im Designprozess beachtet werden:

1) Trennen Sie die Leiterplatte in separate analoge und digitale Teile.

2) Angemessenes Bauteillayout.

3) A/D-Wandler werden über Partitionen verteilt.

4) Den Boden nicht teilen. Führen Sie eine gleichmäßige Masse unter den analogen und digitalen Teilen der Platine.

5) In allen Schichten der Platine können digitale Signale nur im digitalen Teil der Platine geleitet werden.

6) In allen Schichten der Platine können analoge Signale nur im analogen Teil der Platine geroutet werden.

7) Realisieren Sie analoge und digitale Leistungsaufteilung.

8) Die Verdrahtung kann den Abstand zwischen den geteilten Leistungsebenen nicht überspannen.

9) Die Signalleitungen, die den Spalt zwischen den geteilten Netzteilen überqueren müssen, sollten auf der Verdrahtungsschicht unmittelbar neben der großflächigen Masse liegen.

10) Analysieren Sie den Pfad und die Methode des tatsächlich fließenden Rückwärtsstroms.

11) Use correct Leiterplatte Verdrahtungsregeln.