PCB Tecnico - Come realizzare la progettazione della partizione del PWB misto del segnale?

Il design del circuito misto di segnale PCB è molto complesso. Il layout e il cablaggio dei componenti e l'elaborazione dell'alimentazione elettrica e del cavo di massa influenzeranno direttamente le prestazioni del circuito e le prestazioni EMC. La progettazione della divisione della terra e dell'alimentazione elettrica introdotta in questa carta può ottimizzare la prestazione del circuito misto del segnale.

Come ridurre l'interferenza reciproca tra segnale digitale e segnale analogico? Prima della progettazione devono essere compresi due principi fondamentali di compatibilità elettromagnetica (EMC): uno è ridurre il più possibile l'area del ciclo di corrente; l'altro è che nel sistema viene utilizzata solo una superficie di riferimento. Al contrario, se ci sono due piani di riferimento nel sistema, si può formare un'antenna dipolo (Nota: la dimensione della radiazione di piccole antenne dipole è direttamente proporzionale alla lunghezza della linea, alla corrente passante e alla frequenza); se il segnale non può tornare attraverso il loop più piccolo possibile, si può formare un'antenna a loop grande La corrente del loop è proporzionale al quadrato della frequenza. Queste due situazioni dovrebbero essere evitate il più possibile nella progettazione.

Si suggerisce che la terra digitale e la terra analogica sul circuito a segnale misto dovrebbero essere separati in modo da realizzare l'isolamento tra la terra digitale e la terra analogica. Sebbene questo metodo sia fattibile, vi sono molti potenziali problemi, soprattutto in sistemi complessi su larga scala. Il problema principale è che è impossibile attraversare il divario diviso. Una volta attraversato, la radiazione elettromagnetica e il segnale crosstalk aumenteranno rapidamente. Il problema comune nella progettazione PCB è il problema EMI causato dall'attraversamento della linea di segnale su terreno diviso o alimentazione elettrica.

Usiamo il metodo di segmentazione di cui sopra e la linea del segnale attraversa il divario tra i due terreni. Qual è il percorso di ritorno della corrente del segnale? Si presume che i due terreni separati siano collegati in qualche luogo (di solito un singolo punto 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 produrrà radiazioni e alta induttanza del suolo. Se la corrente che scorre attraverso il grande loop è corrente analogica di basso livello, la corrente è facile da essere interferita dai segnali esterni. La cosa peggiore è che quando il terreno diviso è collegato insieme all'alimentazione elettrica, formerà un ciclo di corrente molto grande. Inoltre, la connessione analogica e digitale attraverso un lungo cavo formerà un'antenna dipolo.

Comprendere il percorso e la modalità di 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, ignorando il percorso specifico della corrente. Se lo strato del filo di terra deve essere diviso e il cablaggio deve essere condotto attraverso lo spazio tra le partizioni, una connessione a punto singolo può essere effettuata tra gli strati di terra divisi per formare un ponte di collegamento tra i due strati di terra e quindi il cablaggio viene condotto 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 molto piccola.

Possono essere utilizzati anche dispositivi di isolamento ottico o trasformatori per attraversare lo spazio. Per il primo, il segnale ottico attraversa lo spazio, mentre nel caso del trasformatore, il campo magnetico attraversa lo spazio. Un altro approccio possibile è quello di utilizzare segnali differenziali: i segnali affluiscono da una linea e tornano da un'altra, nel qual caso non devono essere utilizzati come percorso di ritorno.

Al fine di esplorare l'interferenza del segnale digitale al segnale analogico, dobbiamo prima capire le caratteristiche della corrente ad alta frequenza. Le correnti ad alta frequenza scelgono sempre il percorso di impedenza (induttanza) direttamente sotto il segnale, in modo che la corrente di ritorno fluisca attraverso lo strato del circuito adiacente, sia che lo strato adiacente sia lo strato di potenza o lo strato di terra.

In pratica, il PCB è solitamente diviso in parte analogica e parte digitale. I segnali analogici sono instradati nell'area analogica di tutti i livelli della scheda, mentre i segnali digitali sono instradati nell'area del circuito digitale. In questo caso, la corrente di ritorno del segnale digitale non fluirà al suolo 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 problema non è perché non c'è divisione, la vera ragione è che il cablaggio del segnale digitale non è appropriato.

La progettazione PCB adotta una progettazione unificata, attraverso il circuito digitale e la partizione analogica del circuito e il cablaggio del segnale appropriato, di solito può risolvere alcuni problemi difficili di layout e cablaggio, ma anche non produrrà alcuni problemi potenziali causati dalla divisione a terra. In questo caso, il layout e la partizione dei componenti diventano la chiave 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 controllati e controllati per garantire la conformità al 100% con le regole di cablaggio. Altrimenti, un cablaggio improprio della linea di segnale distruggerà completamente un circuito stampato molto buono.

Quando si collegano i pin di terra analogici e di terra digitale di un convertitore / D insieme, la maggior parte dei produttori di convertitori a / D raccomanderà che i pin agnd e DGND siano collegati alla stessa terra a bassa impedenza attraverso cavi corti (Nota: poiché la maggior parte dei chip di convertitore a / D non collegano terra analogica e terra digitale insieme, devono essere collegati attraverso pin esterni) Qualsiasi impedenza esterna collegata a DGND accoppia più rumore digitale al circuito analogico all'interno dell'IC attraverso capacità parassitaria. Secondo questa proposta, è necessario collegare i pin agnd e DGND del convertitore A / D al suolo analogico. Tuttavia, questo metodo può causare 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 ha un solo convertitore a / D, i problemi di cui sopra possono essere facilmente risolti. Come mostrato in Fig. 3, il terreno è diviso e le parti analogiche e digitali sono collegate insieme sotto il convertitore A / D. Quando si adotta questo metodo, è necessario assicurarsi che la larghezza del ponte di collegamento tra i due motivi sia uguale a quella del IC e che nessuna linea di segnale possa attraversare lo spazio divisorio.

Se ci sono molti convertitori a / D nel sistema, ad esempio, come collegare convertitori 10 A / D? Se terra analogica e terra digitale sono collegati insieme nella parte inferiore di ogni convertitore a / D, ci sarà connessione multipunto e l'isolamento tra terra analogica e terra digitale è privo di significato. Se non si connette in questo modo, è in violazione dei requisiti del produttore.

Se hai dubbi sulla progettazione unificata del PCB a segnale misto, possiamo utilizzare il metodo di divisione dello strato di terra per stendere e instradare l'intero circuito stampato. Nella progettazione, dovremmo fare del nostro meglio per rendere il circuito stampato facile da collegare la terra separata con saltatori con spaziatura inferiore a 1 / 2 pollici o resistenza di 0 ohm nell'esperimento posteriore. Prestare attenzione alla zonizzazione e al cablaggio per assicurarsi che non ci siano linee di segnale digitale sopra la sezione analogica o qualsiasi linea di segnale analogico sopra la sezione digitale su tutti i livelli. Inoltre, nessuna linea di segnale può attraversare il divario di terra o dividere il divario tra gli alimentatori. Per testare la funzione e le prestazioni EMC del circuito stampato, quindi collegare i due terreni attraverso la resistenza 0 ohm o jumper e ripetere la funzione e le prestazioni EMC del circuito stampato. Confrontando i risultati dei test, si può constatare che in quasi tutti i casi, la soluzione unificata è superiore a quella segmentata in termini di funzionalità e prestazioni EMC.

Questo metodo può essere utilizzato nelle seguenti tre situazioni: alcuni dispositivi medici richiedono bassa corrente di dispersione tra circuiti e sistemi collegati ai pazienti; l'uscita di alcune apparecchiature industriali di controllo dei processi può essere collegata ad apparecchiature elettromeccaniche ad alto rumore e ad alta potenza; un altro caso è quando il layout del PCB è limitato.

Nel PCB a segnale misto, ci sono solitamente alimentatori digitali e analogici indipendenti, che possono e dovrebbero adottare l'alimentazione elettrica divisa. Tuttavia, la linea di segnale adiacente allo strato di alimentazione non può attraversare lo spazio tra gli alimentatori e tutte le linee di segnale che attraversano lo spazio devono essere situate sullo strato del circuito adiacente alla grande area. In alcuni casi, la progettazione di alimentatore analogico con linea di connessione PCB invece di una superficie può evitare il problema della segmentazione laterale dell'alimentazione elettrica.

La progettazione di PCB a segnale misto è un processo complesso. Nel processo di progettazione occorre prestare attenzione ai seguenti punti:

1. Dividere PCB in parte analogica indipendente e parte digitale.

2. Una corretta disposizione dei componenti.

3. I convertitori A / D sono posizionati tra le partizioni.

4. Non dividere il terreno. Il circuito stampato è posto uniformemente sotto la parte analogica e la parte digitale.

5. In tutti gli strati del circuito stampato, il segnale digitale può essere cablato solo nella parte digitale del circuito stampato.

6. In tutti gli strati del circuito stampato, il segnale analogico può essere collegato solo nella parte analogica del circuito stampato.

7. Realizzare la separazione di potenza analogica e digitale.

8. Il cablaggio non deve attraversare lo spazio tra le facce di potenza divise.

9. Il cavo di segnale che deve attraversare lo spazio tra gli alimentatori split deve essere posizionato sullo strato di cablaggio adiacente alla grande area.

10. Analizzare il percorso di flusso effettivo e la modalità della corrente di ritorno.

11. Utilizzare regole di cablaggio corrette.