Technologie PCB - Comment implémenter la conception de partitionnement d'un PCB à signal mixte?

La conception du circuit PCB à signaux mixtes est très complexe. La disposition et le câblage des composants et la manipulation de l'alimentation et du câblage de masse auront un impact direct sur les performances du circuit et les performances EMC. La conception de partitionnement de la terre et de l'alimentation présentée dans cet article peut optimiser les performances des circuits à signaux mixtes.

Comment réduire les interférences mutuelles entre les signaux numériques et analogiques? Deux principes fondamentaux de compatibilité électromagnétique doivent être compris avant la conception: l'un est de réduire au maximum la surface de la boucle de courant; Une autre consiste à n'utiliser qu'une seule surface de référence dans le système. A l'inverse, s'il y a deux plans de référence dans le système, 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, au courant et à la fréquence parcourus); Si le signal ne peut pas être renvoyé par une boucle aussi petite que possible, il est possible de former une grande antenne de boucle, le courant de la boucle étant proportionnel au carré de la fréquence. Ces deux situations doivent être évitées autant que possible dans la conception.

Il est recommandé que la mise à la terre numérique et la mise à la terre analogique sur la carte de circuit à signal mixte soient séparées afin 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 clé est qu'il est impossible de traverser les fissures. Une fois croisés, le rayonnement électromagnétique et la diaphonie du signal augmenteront rapidement. Un problème courant dans la conception de PCB est un problème EMI causé par un fil de signal traversant une mise à la terre excessive ou une alimentation électrique.

Nous utilisons la méthode de segmentation ci - dessus et la ligne de signal traverse l'espace entre les deux terres. Quel est le chemin de retour du courant du signal? Supposons que deux mises à la terre séparées soient connectées quelque part (généralement un seul point à un endroit donné). Dans ce cas, le courant de terre formera une grande boucle. Le courant à haute fréquence circulant à travers la Grande Boucle générera un rayonnement et une inductance de masse élevée. Si le courant circulant dans la grande boucle est un courant analogique de bas niveau, le courant est susceptible d'être perturbé par un signal extérieur. Pire encore, lorsque les prises de terre sont connectées ensemble au niveau de l'alimentation, cela crée une très grande boucle de courant. De plus, les connexions analogiques et numériques via un long fil formeront une antenne dipolaire.

Comprendre le chemin et la façon dont le courant retourne 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 les couches de fils de terre doivent être séparées et que le câblage doit être effectué par des espaces entre les cloisons, un point de connexion unique peut être réalisé entre les couches de terre séparées pour former un pont de connexion entre les deux couches de terre, puis le câblage par 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 surface de boucle formée est très faible.

Des moyens d'isolation optique ou des transformateurs peuvent également être utilisés pour franchir les interstices. Pour le premier, le signal lumineux traverse l'espace, tandis que pour le transformateur, le champ magnétique traverse l'espace. Une autre méthode possible consiste à utiliser des signaux différentiels: les signaux arrivent d'une ligne et reviennent d'une autre, auquel cas ils n'ont pas besoin d'être utilisés comme voies de retour.

Pour étudier les interférences des signaux numériques sur les signaux analogiques, nous devons d'abord comprendre les propriétés des courants à haute fréquence. Le courant haute fréquence sélectionne toujours le chemin d'impédance (inductance) juste en dessous du signal, de sorte que le courant de retour circule à travers la couche de circuit adjacente, que la couche adjacente soit une couche d'alimentation ou une couche de terre.

Dans la pratique, les PCB sont généralement divisés en une partie analogique et une partie numérique. Les signaux analogiques sont routés dans des zones analogiques de toutes les couches de la carte, tandis que les signaux numériques sont routés dans des zones de circuits numériques. Dans ce cas, le courant de retour du signal numérique ne circulera pas vers 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. Ce problème n'est pas dû à l'absence de division, la vraie raison est que le câblage du signal numérique n'est pas approprié.

La conception de PCB adopte une conception unifiée, par le biais de la partition des circuits numériques et analogiques et du câblage de signal approprié, peut généralement résoudre certains problèmes de mise en page et de câblage difficiles, mais ne crée pas non plus de problèmes potentiels causés par la partition à la terre. Dans ce cas, la disposition et le zonage des composants deviennent la clé de la conception. Si la disposition est raisonnable, le courant de terre 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 pour s'assurer que les règles de câblage sont respectées à 100%. Sinon, un câble de signal mal câblé peut complètement gâcher une bonne carte.

Lors de la connexion des broches de masse analogique et numérique d'un convertisseur A / d ensemble, la plupart des fabricants de convertisseurs A / D recommandent de connecter les broches agnd et dgnd à la même masse basse impédance via des broches courtes (Remarque: comme la plupart des puces de convertisseur A / D ne connectent pas la masse analogique à la masse numérique, elles doivent être connectées via des broches externes). Selon cette proposition, il est nécessaire de connecter les broches agnd et dgnd du convertisseur A / D à la masse analogique. Cependant, cette approche peut conduire à des problèmes tels que si la borne de masse du condensateur de découplage du signal numérique doit être connectée à la masse analogique ou numérique.

Si le système ne comporte qu'un seul convertisseur A / D, le problème ci - dessus peut être facilement résolu. Comme le montre la figure 3, la masse est séparée et les parties analogique et numérique sont connectées ensemble sous un convertisseur A / n. Lorsque cette approche est adoptée, il est nécessaire de s'assurer que la largeur du pont de connexion entre les deux masses est égale à celle de l'IC et qu'aucune ligne de signal ne peut traverser l'intervalle de division de tension.

Par exemple, s'il y a beaucoup de convertisseurs A / D dans le système, comment puis - je connecter 10 convertisseurs A / d? Si la masse analogique et la masse numérique sont connectées ensemble au bas de chaque convertisseur A / D, il y aura une connexion multipoint et l'isolation entre la masse analogique et la masse numérique n'a pas de sens. S'il n'est pas connecté de cette manière, les exigences du fabricant sont violées.

Si vous avez des questions sur la conception unifiée d'un PCB à signal mixte, nous pouvons utiliser la méthode de la couche de terre divisée pour mettre en page et câbler toute la carte. Dans la conception, nous devrions faire de notre mieux pour rendre la carte facile à séparer de la terre des connexions de cavalier espacées de moins de 1 / 2 pouce ou de résistance de 0 ohm. Faites attention au câblage de partitionnement, assurez - vous qu'il n'y a pas de ligne de signal numérique au - dessus des segments analogiques de chaque couche et pas de ligne de signal analogique au - dessus des segments numériques. De plus, aucune ligne de signal ne peut traverser l'espace de mise à la terre ou diviser l'espace entre les sources d'alimentation. Pour tester la fonctionnalité et les performances EMC de la carte, connectez les deux mises à la terre via une résistance de 0 ohm ou un cavalier, puis réessayez la fonctionnalité de la carte et les performances EMC. Les résultats des tests comparatifs ont permis de constater que les solutions unifiées surpassent les solutions segmentées en termes de fonctionnalités et de performances EMC dans presque tous les cas.

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 dispositifs électromécaniques à fort bruit et à forte puissance; Un autre cas est lorsque la disposition du PCB est limitée.

Dans les circuits imprimés à signal mixte, il existe généralement des alimentations numériques et analogiques indépendantes, qui peuvent et doivent être utilisées avec une alimentation divisée. Cependant, les lignes de signal adjacentes à la couche d'alimentation ne peuvent pas traverser les interstices entre les sources et toutes les lignes de signal traversant les interstices doivent être situées sur une couche de circuit adjacente à une grande surface. Dans certains cas, la conception d'une alimentation analogique avec un câble de connexion PCB au lieu d'une surface peut éviter les problèmes de segmentation du côté de l'alimentation.

La conception de PCB à signaux mixtes est un processus complexe. Les points suivants doivent être pris en compte lors de la conception:

1. Divisez le PCB en une partie analogique indépendante et une partie numérique.

2. Disposition correcte des composants.

3. Le convertisseur A / D est placé à travers les partitions.

4. Ne divisez pas le sol. La carte est posée uniformément sous la partie analogique et la partie numérique.

5. Dans toutes les couches de la carte, les signaux numériques ne peuvent être câblés que dans la partie numérique de la carte.

6. Dans toutes les couches de la carte, le signal analogique ne peut être câblé que dans la partie analogique de la carte.

7. Réaliser la séparation de puissance analogique et numérique.

8. Le câblage ne doit pas traverser l'espace entre les faces d'alimentation séparées.

9. Les lignes de signal qui doivent traverser l'espace entre les alimentations divisées doivent être situées sur une couche de câblage adjacente à une grande surface.

10. Analyser le chemin d'écoulement réel et le mode de reflux.

11. Utilisez les règles de câblage correctes.