Technologie PCB - Pourquoi PCB est divisé en mise à la terre numérique et analogique

1 pourquoi diviser la mise à la terre numérique et analogique

Parce que même si elles sont interconnectées, les distances sont plus longues et les différences sont différentes. La tension en différents points d'un même fil peut être différente, surtout si le courant est important. En raison de la résistance du fil, une chute de tension se produit lorsque le courant circule. De plus, le fil a une inductance distribuée dont l'influence se manifestera sous un signal alternatif. Nous devons donc le diviser en numérique et analogique, car le bruit à haute fréquence du signal numérique est très important, et si analogique et numérique sont mélangés, le bruit est transmis à la partie analogique et provoque des interférences. Si la mise à la terre est séparée, il est possible d'isoler le bruit haute fréquence en effectuant un filtrage au niveau de l'alimentation. Mais si ces deux raisons sont mélangées, il n'est pas facile de filtrer. C'est pourquoi les PCB devraient être divisés en mise à la terre numérique et analogique.

2 comment concevoir une mise à la terre numérique et analogique

Avant de concevoir, nous devons comprendre deux principes fondamentaux de la compatibilité électromagnétique (CEM): le premier est de minimiser la surface de la boucle de courant; Le deuxième principe est que le système utilise une seule surface de référence. Inversement, si le système a deux plans de référence, il est possible de former une antenne dipolaire (Remarque: la taille du rayonnement d'une petite antenne dipolaire est directement proportionnelle à la longueur de la ligne, à la quantité de courant et à la fréquence); Si le signal ne passe pas autant que possible, le retour de la petite boucle peut former une antenne de Grande Boucle (Remarque: la taille du rayonnement d'une antenne de petite boucle est proportionnelle à la surface de la boucle, au courant circulant dans la boucle et au carré de la fréquence). Évitez les deux autant que possible dans la conception.

Il est recommandé de séparer la mise à la terre numérique et analogique sur une carte à signaux mixtes, ce qui permet d'isoler la mise à la terre numérique de la mise à la terre analogique. Bien que cette approche soit réalisable, de nombreux problèmes potentiels subsistent, en particulier dans les systèmes complexes à grande échelle. Le problème le plus crucial est qu'il ne peut pas dépasser les écarts sectoriels. Une fois que l'espace divisé est câblé, le rayonnement électromagnétique et la diaphonie du signal augmentent considérablement. Le problème le plus courant dans la conception de PCB est que les lignes de signal traversent des mises à la terre ou des alimentations séparées et créent des problèmes EMI.

Nous utilisons la méthode de division ci - dessus et la ligne de signal traverse l'espace entre les deux masses. Quel est le chemin de retour du courant du signal? Supposons que deux mises à la terre séparées soient connectées ensemble quelque part (généralement un seul point de connexion quelque part), auquel cas le courant de terre formera une grande boucle. Le courant haute fréquence qui traverse la Grande Boucle produit un rayonnement et une inductance de masse élevée. Si un courant analogique de bas niveau traverse la grande boucle, le courant est facilement perturbé par des signaux externes. Le pire est que lorsque les masses séparées sont connectées ensemble à l'alimentation, une très grande boucle de courant sera formée. De plus, analogiquement et numériquement connectés par de longs fils formant une antenne dipolaire.

Comprendre le chemin et la méthode de retour du courant à la terre est la clé pour optimiser la conception d'une carte à signaux mixtes. De nombreux ingénieurs de conception ne considèrent que le flux du courant de signal et ignorent le chemin spécifique du courant. Si la couche de mise à la terre doit être divisée et que le câblage doit passer par des espaces entre les partitions, un point unique de connexion peut être fait entre les mises à la terre divisées pour former un pont de connexion entre les deux mises à la terre, qui est ensuite câblé à travers le pont de connexion. De cette manière, il est possible de prévoir une voie de retour continue sous chaque ligne de signal, de sorte que la zone de boucle formée est faible.

L'utilisation d'un dispositif d'isolation optique ou d'un transformateur permet également de réaliser un signal traversant l'intervalle de segmentation. Pour le premier, il s'agit d'un signal optique traversant l'intervalle de segmentation; Dans le cas d'un transformateur, c'est le champ magnétique qui traverse l'espace de division. Une autre méthode viable consiste à utiliser un signal différentiel: le signal entre d'une ligne et revient d'une autre. Dans ce cas, la terre n'est pas nécessaire comme chemin de retour.

Pour approfondir l'interférence d'un signal numérique sur un signal analogique, il faut d'abord comprendre les caractéristiques des courants à haute fréquence. Pour les courants à haute fréquence, on choisit toujours le chemin dont l'impédance est minimale (l'inductance la plus faible) et qui se trouve directement sous le signal, de sorte que le courant de retour circule à travers les couches de circuit adjacentes, que les couches adjacentes soient une couche d'alimentation ou une couche de terre. Dans le travail pratique, il est souvent préférable d'utiliser une mise à la terre uniforme et de diviser le PCB en une partie analogique et une partie numérique. Les signaux analogiques sont routés dans les zones analogiques de toutes les couches de la carte, tandis que les signaux numériques sont routés dans les zones de circuits numériques. Dans ce cas, le courant de retour du signal numérique ne circulera pas dans la masse du signal analogique.

L'interférence du signal numérique avec le signal analogique ne se produit que si le signal numérique est câblé dans la partie analogique de la carte ou si le signal analogique est câblé dans la partie numérique de la carte. La raison pour laquelle ce problème ne se produit pas est qu'il n'y a pas de prise à la terre, et la vraie raison est le câblage incorrect du signal numérique. La conception de PCB adopte la mise à la terre uniforme, par la partition des circuits numériques et analogiques et le câblage de signal approprié, peut généralement résoudre certains des problèmes de mise en page et de câblage les plus difficiles, tout en ne créant pas certains des problèmes potentiels causés par la partition à la terre. Dans ce cas, la disposition et le zonage des composants deviennent la clé pour déterminer les avantages et les inconvénients de la conception. Si la disposition est raisonnable, le courant de masse numérique sera limité à la partie numérique de la carte et ne perturbera pas le signal analogique. Ce type de câblage doit être soigneusement vérifié et vérifié pour s'assurer que 100% des règles de câblage sont respectées. Sinon, un câblage incorrect de la ligne de signal détruira complètement la carte qui aurait autrement été très bonne.

Lors de la connexion des broches analogiques de mise à la terre et de mise à la terre numérique d'un convertisseur A / D, la plupart des fabricants de convertisseurs A / D recommandent: de connecter les broches agnd et dgnd à la même terre à basse impédance via le fil le plus court (Remarque: comme la plupart des Puces de convertisseur A / D ne connectent pas la terre analogique à la terre numérique, les broches analogiques et numériques de mise à la terre doivent être connectées via des broches externes. ), toute impédance externe connectée au dgnd passera par une capacité parasite. Plus de bruit numérique est couplé à un circuit analogique à l'intérieur de l'IC. Selon cette recommandation, il est nécessaire de connecter les broches agnd et dgnd du convertisseur A / N à la masse analogique, mais cette approche conduit à des questions telles que la borne de masse du condensateur de découplage du signal numérique doit être connectée à la masse analogique ou numérique.

Si le système n'a qu'un seul convertisseur A / D, les problèmes ci - dessus peuvent être facilement résolus. Séparez la terre et connectez la terre analogique et la terre numérique ensemble sous un convertisseur A / D. Lorsque cette approche est adoptée, il est nécessaire de s'assurer que la largeur du pont de connexion entre les deux masses est la même que celle de l'IC et qu'aucune ligne de signal ne peut traverser l'intervalle de division.

Par exemple, s'il y a beaucoup de convertisseurs A / D dans le système, comment puis - je connecter 10 convertisseurs A / d? Si la mise à la terre analogique et la mise à la terre numérique sont connectées ensemble sous chaque convertisseur A / D, une connexion multipoint est créée et l'isolation entre la mise à la terre analogique et la mise à la terre numérique n'a aucun sens. Si vous ne vous connectez pas de cette manière, c'est une violation des exigences du fabricant. Si vous avez des questions sur la mise à la terre uniforme de la conception de PCB à signal mixte, vous pouvez utiliser la méthode de division de la couche de terre pour mettre en page et câbler toute la carte. Lors de la conception, veillez à rendre la carte facile à utiliser pour des expériences ultérieures. L'espacement est inférieur à 1 / 2 pouce. Les fils de raccordement ou les résistances de 0 ohm seront connectés séparément. Faites attention au zonage et au câblage pour vous assurer qu'il n'y a pas de ligne de signal numérique au - dessus de la partie analogique de toutes les couches, ni de ligne de signal analogique au - dessus de la partie numérique. De plus, aucune ligne de signal ne peut traverser l'espace de mise à la terre ou l'espace entre les sources d'alimentation séparées. Pour tester la fonctionnalité et les performances EMC de la carte, connectez les deux masses ensemble via une résistance de 0 ohm ou un cavalier, puis réessayez la fonctionnalité de la carte et les performances EMC. Comparez les résultats des tests et vous constaterez que dans presque tous les cas, les solutions unifiées surpassent les solutions séparées en termes de fonctionnalités et de performances EMC.

La méthode de division des terres est - elle encore utile?

Cette approche peut être utilisée dans les trois cas suivants: certains dispositifs médicaux nécessitent un faible courant de fuite entre le circuit électrique connecté au patient et le système; Les sorties de certains dispositifs de contrôle de processus industriels peuvent être connectées à des systèmes électromécaniques bruyants et puissants. Équipement Un autre cas est lorsque la disposition du PCB est soumise à des restrictions spécifiques.

Il existe généralement des alimentations numériques et analogiques indépendantes sur les cartes PCB à signal mixte, et un plan d'alimentation Split peut et doit être utilisé. Cependant, les lignes de signal proches de la couche d'alimentation ne peuvent pas traverser les interstices entre les sources d'alimentation et toutes les lignes de signal traversant les interstices doivent être situées sur une couche de circuit proche de la masse d'une grande surface. Dans certains cas, la conception d'une alimentation analogique avec des fils de connexion PCB au lieu d'une seule surface peut éviter les problèmes de partitionnement de la surface d'alimentation.