PCB Tecnico - Perché il pcb è diviso in terra digitale e terra analogica

1 Perché dividere terra digitale e terra analogica

Perché anche se sono interconnessi, la distanza è più lunga, la differenza è diversa. La tensione in punti diversi sullo stesso filo può essere diversa, specialmente quando la corrente è grande. A causa della resistenza del filo, si verifica una caduta di tensione quando scorre la corrente. Inoltre, il filo ha distribuito l'induttanza e l'influenza dell'induttanza distribuita si manifesterà sotto il segnale AC. Quindi dobbiamo dividerlo in terra digitale e terra analogica, perché il rumore ad alta frequenza del segnale digitale è molto grande, se la terra analogica e terra digitale sono mescolati, il rumore sarà trasmesso alla parte analogica e causerà interferenze. Se il terreno è separato, il rumore ad alta frequenza può essere isolato filtrando all'alimentazione elettrica. Ma se i due terreni sono mescolati, non è facile filtrare. Questo è il motivo per cui PCB dovrebbe essere diviso in terra digitale e terra analogica.

2 Come progettare terra digitale e terra analogica

Prima di progettare, dobbiamo comprendere i due principi di base della compatibilità elettromagnetica (EMC): il primo principio è quello di minimizzare l'area del ciclo corrente; il secondo principio è che il sistema utilizza una sola superficie di riferimento. Al contrario, se il sistema ha due piani di riferimento, è possibile formare un'antenna dipolo (Nota: la dimensione della radiazione di una piccola antenna dipolo è proporzionale alla lunghezza della linea, alla quantità di corrente corrente che scorre e alla frequenza); e se il segnale non può passare il più possibile Il ritorno di un piccolo loop può formare una grande antenna loop (Nota: la dimensione della radiazione di un piccolo loop antenna è proporzionale all'area loop, alla corrente che scorre attraverso il loop e al quadrato della frequenza). Evitare queste due situazioni il più possibile nella progettazione.

Si suggerisce di separare la terra digitale e la terra analogica sul circuito a segnale misto, in modo che l'isolamento tra la terra digitale e la terra analogica possa essere raggiunto. Sebbene questo metodo sia fattibile, vi sono molti potenziali problemi, soprattutto in sistemi complessi su larga scala. Il problema più critico è che non può essere indirizzato attraverso il divario di divisione. Una volta che il divario di divisione è instradato, la radiazione elettromagnetica e il segnale crosstalk aumenteranno notevolmente. Il problema più comune nella progettazione PCB è che la linea del segnale attraversa il terreno diviso o l'alimentazione elettrica e genera problemi EMI.

Usiamo il metodo di divisione di cui sopra e la linea del segnale attraversa il divario tra i due motivi. Qual è il percorso di ritorno della corrente del segnale? Supponendo che i due motivi che sono divisi siano collegati tra loro da qualche parte (di solito un singolo punto di connessione in una certa posizione), in questo caso, la corrente di terra formerà un grande anello. La corrente ad alta frequenza che scorre attraverso il grande ciclo genera radiazioni e alta induttanza di terra. Se la corrente analogica a basso livello scorre attraverso il grande loop, la corrente è facilmente interferita da segnali esterni. La cosa peggiore è che quando i terreni divisi sono collegati insieme all'alimentazione elettrica, si formerà un circuito di corrente molto grande. Inoltre, la terra analogica e la terra digitale sono collegati da un lungo cavo per formare un'antenna dipolo.

Comprendere il percorso e il metodo del ritorno della corrente a terra è la chiave per ottimizzare la progettazione del circuito a segnale misto. Molti progettisti considerano solo dove scorre la corrente del segnale e ignorano il percorso specifico della corrente. Se lo strato di terra deve essere diviso e il cablaggio deve essere instradato attraverso lo spazio tra le divisioni, è possibile effettuare una connessione a punto singolo tra i terreni divisi per formare un ponte di collegamento tra i due terreni e quindi cablare attraverso il ponte di collegamento. In questo modo, un percorso di ritorno della corrente continua può essere fornito sotto ogni linea di segnale, in modo che l'area del loop formata sia piccola.

L'uso di dispositivi di isolamento ottico o trasformatori può anche ottenere il segnale attraverso il gap di segmentazione. Per il primo, è il segnale ottico che attraversa il gap di segmentazione; nel caso di un trasformatore, è il campo magnetico che attraversa lo spazio di segmentazione. Un altro metodo praticabile è quello di utilizzare segnali differenziali: il segnale entra da una linea e ritorna da un'altra linea di segnale. In questo caso, il terreno non è necessario come percorso di ritorno.

Per esplorare in profondità l'interferenza dei segnali digitali ai segnali analogici, dobbiamo prima comprendere le caratteristiche delle correnti ad alta frequenza. Per le correnti ad alta frequenza, scegliere sempre il percorso con la minore impedenza (induttanza più bassa) e direttamente sotto il segnale, in modo che la corrente di ritorno fluisca attraverso lo strato del circuito adiacente, indipendentemente dal fatto che lo strato adiacente sia lo strato di potenza o lo strato di terra. Nel lavoro reale, è generalmente incline a utilizzare una terra unificata e dividere il PCB in una parte analogica e una parte digitale. Il segnale analogico viene instradato nell'area analogica di tutti i livelli del circuito e il segnale digitale viene instradato nell'area del circuito digitale. In questo caso, la corrente di ritorno del segnale digitale non fluirà nel terreno del segnale analogico.

Solo quando il segnale digitale è cablato sulla parte analogica della scheda o il segnale analogico è cablato sulla parte digitale della scheda, apparirà l'interferenza del segnale digitale al segnale analogico. Questo tipo di problema non si verifica perché non c'è terreno diviso, la vera ragione è il cablaggio improprio del segnale digitale. La progettazione PCB adotta la terra unificata, attraverso il circuito digitale e la partizione analogica del circuito e il cablaggio del segnale appropriato, di solito può risolvere alcuni problemi di layout e cablaggio più difficili e allo stesso tempo, non causerà alcuni problemi potenziali causati dalla divisione a terra. In questo caso, il layout e il partizionamento dei componenti diventano la chiave per determinare i pro e i contro del design. Se il layout è ragionevole, la corrente di terra digitale sarà limitata alla parte digitale del circuito stampato e non interferirà con il segnale analogico. Tali cablaggi devono essere attentamente ispezionati e verificati per garantire che le regole di cablaggio siano rispettate al 100%. Altrimenti, l'instradamento improprio di una linea di segnale distruggerà completamente un circuito altrimenti molto buono.

Quando si collegano i pin di terra analogici e digitali del convertitore A/D insieme, la maggior parte dei produttori di convertitori A/D suggerirebbe: Collegare i pin AGND e DGND allo stesso terreno a bassa impedenza attraverso il cavo più corto (Nota: Poiché la maggior parte dei chip di convertitore A/D non collegano la terra analogica e la terra digitale insieme, il terreno analogico e digitale deve essere collegato tramite pin esterni. ) Qualsiasi impedenza esterna collegata a DGND passerà la capacità parassitaria. Più rumore digitale è accoppiato ai circuiti analogici all'interno dell'IC. Secondo questo suggerimento, è necessario collegare i pin AGND e DGND del convertitore A/D alla terra analogica, ma questo metodo causa problemi come se il terminale di terra del condensatore di disaccoppiamento del segnale digitale debba essere collegato alla terra analogica o alla terra digitale.

Se il sistema dispone di un solo convertitore A/D, i problemi di cui sopra possono essere facilmente risolti. Separare la terra e collegare la terra analogica e la terra digitale insieme sotto il convertitore A/D. Quando si adotta questo metodo, è necessario assicurarsi che la larghezza del ponte di collegamento tra i due terreni sia la stessa della larghezza del IC e che qualsiasi linea di segnale non possa attraversare lo spazio di divisione.

Se ci sono molti convertitori A/D nel sistema, ad esempio, come collegare 10 convertitori A/D? Se la terra analogica e la terra digitale sono collegati insieme sotto ogni convertitore A/D, viene generata una connessione multipunto e l'isolamento tra la terra analogica e la terra digitale è privo di significato. Se non ti connetti in questo modo, viola i requisiti del produttore. Se sei in dubbio sulla messa a terra uniforme del design PCB a segnale misto, puoi utilizzare il metodo di divisione dello strato di terra per layout e instradare l'intero circuito stampato. Durante la progettazione, prestare attenzione a rendere il circuito stampato facile da usare negli esperimenti successivi. La distanza è inferiore a 1/2 pollice. I cavi jumper o resistenze 0 ohm saranno collegati insieme separatamente. Prestare attenzione alle partizioni e ai cablaggi, assicurarsi che nessuna linea di segnale digitale sia posizionata sopra la parte analogica su tutti i livelli e che nessuna linea di segnale analogico sia posizionata sopra la parte digitale. Inoltre, qualsiasi linea di segnale non può attraversare lo spazio di terra o lo spazio tra alimentatori divisi. Per testare la funzione e le prestazioni EMC del circuito stampato, quindi collegare i due terreni insieme attraverso una resistenza 0 ohm o un cavo saltatore e ripetere la funzione e le prestazioni EMC del circuito stampato. Confrontando i risultati dei test, scoprirete che in quasi tutti i casi, la soluzione unificata è superiore alla soluzione divisa in termini di funzionalità e prestazioni EMC.

Il metodo di divisione della terra è ancora utile?

Questo metodo può essere utilizzato nelle seguenti tre situazioni: Alcune apparecchiature mediche richiedono bassa corrente di dispersione tra circuiti e sistemi collegati al paziente; l'uscita di alcune apparecchiature industriali di controllo dei processi può essere collegata a un sistema elettromeccanico rumoroso e ad alta potenza. attrezzature; un'altra situazione è quando il layout del PCB è soggetto a restrizioni specifiche.

Di solito ci sono alimentatori digitali e analogici indipendenti su schede PCB a segnale misto e piani di alimentazione divisi possono e dovrebbero essere utilizzati. Tuttavia, le linee di segnale vicine allo strato di alimentazione non possono attraversare lo spazio tra gli alimentatori e tutte le linee di segnale che attraversano lo spazio devono essere situate sullo strato del circuito vicino al terreno di grande area. In alcuni casi, progettare l'alimentatore analogico con una linea di connessione PCB invece di una singola superficie può evitare il problema di dividere la superficie di alimentazione.