PCB 기술 - 어떻게 혼합 신호 PCB의 파티션 설계를 실현합니까?

혼합 신호 회로 PCB의 설계는 매우 복잡합니다.구성 요소의 레이아웃과 케이블 연결, 전원 및 지선의 처리는 회로 성능과 EMC 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.본고에서 소개한 접지와 전원의 구역별 설계는 혼합 신호 회로의 성능을 최적화할 수 있다.

어떻게 디지털 신호와 아날로그 신호 사이의 상호 간섭을 줄입니까?설계에 앞서 전자기 호환성의 두 가지 기본 원칙을 이해해야 한다: 첫째, 가능한 한 전류 회로의 면적을 줄인다;다른 하나는 시스템에서 하나의 참조 서피스만 사용하는 것입니다.반대로 시스템에 두 개의 참조 평면이 있으면 짝극 안테나가 형성될 수 있습니다 (참고: 작은 짝극 안테나의 복사 크기는 회선 길이, 흐르는 전류 및 주파수에 정비례합니다).신호가 가능한 한 작은 루프를 통해 반환되지 않으면 큰 루프 안테나를 형성할 수 있습니다. 루프의 전류는 주파수의 제곱에 비례합니다.설계에서 가능한 한 이 두 가지 상황을 피해야 한다.

혼합 신호 회로 기판의 디지털 접지와 아날로그 접지를 분리하여 디지털 접지와 아날로그 접지의 격리를 실현하는 것이 좋습니다.이러한 접근 방식은 가능하지만 특히 복잡한 대규모 시스템에서 많은 잠재적 문제가 발생합니다.관건은 균열을 통과할 수 없다는 것이다.일단 교차하면 전자기 복사와 신호 교란이 신속하게 증가할 것이다.PCB 설계에서 흔히 볼 수 있는 문제는 신호선이 분접지나 전원을 통과하면서 발생하는 EMI 문제이다.

우리는 상술한 분할 방법을 사용하여 신호선이 두 땅 사이의 간격을 통과했다.신호 전류의 반환 경로는 무엇입니까?두 개의 분리된 접지가 어느 곳에서 연결되어 있다고 가정합니다 (일반적으로 어느 위치의 단일 점).이런 상황에서 접지 전류는 큰 회로를 형성할 것이다.큰 회로를 흐르는 고주파 전류는 복사와 고접지 전감을 발생시킬 것이다.만약 큰 회로를 흐르는 전류가 저전평 아날로그 전류라면 전류는 외부 신호의 방해를 받기 쉽다.더 나쁜 것은 분리된 접지가 전원에 연결되면 매우 큰 전류 회로를 형성한다는 것이다.또한 아날로그와 디지털 연결은 긴 전선을 통해 짝극 안테나를 형성합니다.

전류 반환지의 경로와 방식을 이해하는 것은 혼합 신호 회로 기판 설계를 최적화하는 관건이다.많은 설계 엔지니어들은 신호 전류의 흐름만을 고려하고 전류의 구체적인 경로를 무시한다.접지층을 구분해야 하고 칸막이 사이의 간격을 통해 경로설정해야 하는 경우 구분된 접지층 사이에 단일 점을 연결하여 두 접지층 사이에 연결 다리를 만든 다음 연결 다리를 통해 경로설정할 수 있습니다.이렇게 하면 각 신호선 아래에 직류 귀환 경로를 제공할 수 있어 형성된 순환로 면적이 매우 작다.

광학 격리 장치나 변압기도 간격을 뛰어넘는 데 사용할 수 있다.전자의 경우 광신호는 간극을 통과하고 변압기의 경우 자기장은 간극을 통과한다.또 다른 가능한 방법은 차등 신호를 사용하는 것입니다. 신호는 한 선로에서 유입되고 다른 선로에서 반환됩니다. 이 경우 반환 경로로 사용할 필요가 없습니다.

디지털 신호가 아날로그 신호에 대한 간섭을 탐색하기 위해서, 우리는 먼저 고주파 전류의 특성을 이해해야 한다.고주파 전류는 항상 신호 바로 아래의 임피던스 (전감) 경로를 선택하기 때문에 인접 계층이 전원 계층이든 접지 계층이든 반환 전류는 인접 회로 계층을 통과합니다.

실제로 PCB는 일반적으로 아날로그 부분과 디지털 부분으로 나뉩니다.아날로그 신호는 보드의 모든 레이어의 아날로그 영역에서, 디지털 신호는 디지털 회로 영역에서 라우팅됩니다.이 경우 디지털 신호의 반환 전류는 아날로그 신호로 흐르지 않습니다.

디지털 신호가 회로 기판의 아날로그 부분이나 아날로그 신호가 회로 기판의 디지털 부분에 배선될 때만 디지털 신호가 아날로그 신호에 대한 간섭이 나타난다.이 문제는 구분이 없기 때문이 아니다. 진정한 원인은 디지털 신호의 배선이 적합하지 않기 때문이다.

PCB 설계는 디지털 회로와 아날로그 회로의 파티션과 적절한 신호 배선을 통해 일반적으로 레이아웃과 배선이 어려운 문제를 해결할 수 있지만 접지 구분으로 인한 잠재적인 번거로움은 발생하지 않습니다.이 경우 어셈블리의 레이아웃과 파티션이 설계의 핵심이 됩니다.배치가 적절하면 디지털 접지 전류는 회로 기판의 디지털 부분으로 제한되며 아날로그 신호를 방해하지 않습니다.이러한 배선을 확인하여 100% 배선 규칙을 준수해야 합니다.그렇지 않으면 신호선을 잘못 배선하면 아주 좋은 회로판을 철저히 파괴하게 된다.

a/D 변환기의 아날로그 접지 핀과 디지털 접지 핀을 연결할 때대부분의 a/D 동글 제조업체는 agnd 및 DGND 핀이 짧은 지시선을 통해 동일한 저임피던스 접지에 연결되도록 권장합니다 (참고: 대부분의 a/D 동글 칩은 아날로그 접지와 디지털 접지를 연결하지 않기 때문에 외부 지시선을 통해 연결되어야 함). DGND에 연결된 모든 외부 임피던스는 더 많은 디지털 노이즈를 IC 내부의 아날로그 회로에 결합시킵니다.기생용량을 통과하다.이 제안에 따라 A/D 변환기의 agnd 및 DGND 핀을 시뮬레이션에 연결할 필요가 있습니다.그러나 이 방법은 디지털 신호 디커플링 콘덴서의 접지 단자가 아날로그지에 연결되어야 하는지 아니면 디지털지에 연결되어야 하는지와 같은 문제를 초래할 수 있다.

이 시스템에 a/D 변환기가 하나만 있으면 위의 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다.그림 3에서 볼 수 있듯이 접지는 분리되고 아날로그와 디지털 부분은 A/D 동글 아래에서 연결됩니다.이 방법을 사용할 때는 두 접지 사이의 연결 다리의 폭이 IC의 폭과 같고 분압 간격을 통과할 수 있는 신호선이 없는지 확인해야 한다.

예를 들어, 시스템에 많은 a/D 변환기가 있는 경우 10개의 a/D 변환기를 어떻게 연결합니까?각 a/D 변환기의 하단에 아날로그와 숫자가 함께 연결되면 여러 개의 연결이 있을 수 있으며 아날로그와 숫자 사이의 격리는 의미가 없습니다.이 방식으로 연결하지 않으면 제조업체의 요구 사항을 위반합니다.

혼합 신호 PCB의 통합 설계에 의문이 있는 경우 전체 회로 기판을 배치하고 경로설정하기 위해 접지층을 나누는 방법을 사용할 수 있습니다.설계에서 우리는 회로 기판이 분리 된 접지를 1/2 인치 또는 0 옴 저항 미만의 간격으로 쉽게 연결 할 수 있도록 최선을 다해야합니다.파티션과 경로설정에 주의하여 모든 레이어의 아날로그 세그먼트 위에 디지털 신호선이 없거나 디지털 세그먼트 위에 아날로그 신호선이 없는지 확인하십시오.또한 접지 간격을 통과하거나 전원 공급 장치 간의 간격을 나눌 수 있는 신호선이 없습니다.보드의 기능과 EMC 성능을 테스트하려면 0 옴 저항 또는 점퍼를 통해 두 접지를 연결한 다음 보드 기능과 EMC 특성을 다시 테스트합니다.테스트 결과를 비교해 보면 거의 모든 상황에서 통합 솔루션은 기능과 EMC 성능 면에서 세그먼트 솔루션보다 우수하다는 것을 알 수 있습니다.

이 방법은 다음과 같은 세 가지 경우에 사용할 수 있습니다: 일부 의료 장비는 환자의 회로와 시스템 사이의 낮은 누출 전류에 연결해야합니다.일부 산업 프로세스 제어 장치의 출력은 높은 소음과 높은 출력을 가진 전기 기계 장치에 연결될 수 있습니다.또 다른 시나리오는 PCB의 레이아웃이 제한된 경우입니다.

혼합 신호 PCB에는 일반적으로 별도의 디지털 및 아날로그 전원이 있으며 분리형 전원을 사용할 수도 있고 사용해야 합니다.그러나 전원 레이어에 인접한 신호선은 전원 공급 장치 사이의 간격을 통과할 수 없으며 간격을 통과하는 모든 신호선은 넓은 면적에 인접한 회로 레이어에 있어야 합니다.경우에 따라 표면 설계 아날로그 전원 공급 장치가 아닌 PCB 케이블을 사용하여 전원 측면 분할 문제를 방지할 수 있습니다.

혼합 신호 PCB의 설계는 복잡한 과정입니다.설계 과정에서 다음 사항에 유의해야 합니다.

1. PCB를 독립적인 아날로그 부분과 디지털 부분으로 나눈다.

2. 어셈블리의 올바른 레이아웃.

3. A/D 동글은 파티션 간에 배치됩니다.

4. 지면을 분할하지 않는다.회로 기판은 아날로그 부분과 디지털 부분 아래에 고르게 깔려 있다.

5.보드의 모든 레이어에서 디지털 신호는 보드의 디지털 부분에서만 경로설정할 수 있습니다.

6. 보드의 모든 레이어에서 아날로그 신호는 보드 아날로그 부분에서만 경로설정할 수 있습니다.

7. 아날로그와 디지털 전원을 분리한다.

8. 배선은 분리된 전원 평면 사이의 간격을 통과할 수 없습니다.

9. 분리된 전원 공급 장치 사이의 간격을 통과해야 하는 신호선은 넓은 면적과 인접한 케이블 레이어에 있어야 합니다.

10. 환류의 실제 흐름 경로와 패턴을 분석한다.

11. 올바른 연결 규칙을 사용합니다.