Thông tin PCB - Thiết kế bảng mạch PCB Digital Mode Hybrid Circuit

Trong thiết kế của bảng mạch PCB tốc độ cao, vấn đề nhiễu trong thiết kế mạch lai kỹ thuật số-analog PCB luôn là một vấn đề khó khăn. Đặc biệt, mạch analog thường là nguồn tín hiệu. Việc nhận và chuyển đổi tín hiệu một cách chính xác là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế PCB. Bằng cách phân tích cơ chế gây nhiễu của mạch lai, kết hợp với thực hành thiết kế, các phương pháp xử lý chung cho mạch lai được khám phá và được xác minh bằng các ví dụ thiết kế. Bảng mạch in (PCB) là sự hỗ trợ của các thành phần mạch và thiết bị trong các sản phẩm điện tử, cung cấp kết nối điện giữa các thành phần mạch và thiết bị. Hiện nay có rất nhiều PCB không còn là mạch chức năng đơn lẻ mà là mạch lai giữa các mạch kỹ thuật số và analog. Dữ liệu thường được thu thập và nhận trong các mạch analog, trong khi băng thông và độ lợi phải được số hóa để được điều khiển bằng phần mềm, vì vậy các mạch kỹ thuật số và analog thường cùng tồn tại trên một bảng hoặc thậm chí chia sẻ cùng một thành phần. Do sự can thiệp lẫn nhau giữa chúng và ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch, phải có một số nguyên tắc nhất định trong cách bố trí và định tuyến mạch. Các yêu cầu đặc biệt đối với đường truyền trong thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp và yêu cầu cách ly tiếng ồn ghép nối giữa mạch analog và mạch kỹ thuật số làm tăng thêm sự phức tạp trong việc bố trí và định tuyến trong quá trình thiết kế. Ở đây, các mục tiêu thiết kế PCB mong muốn đạt được bằng cách phân tích bố cục và thiết kế dây của PCB tín hiệu hỗn hợp mật độ cao.

1. Cơ chế tạo nhiễu mạch lai kỹ thuật số analog nhạy cảm hơn nhiều với tiếng ồn so với tín hiệu kỹ thuật số, vì công việc của mạch analog phụ thuộc vào dòng điện và điện áp thay đổi liên tục, bất kỳ nhiễu nhẹ nào cũng ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của nó, Trong khi công việc của mạch kỹ thuật số phụ thuộc vào đầu thu để phát hiện mức cao hoặc thấp theo mức điện áp hoặc ngưỡng được xác định trước và có khả năng chống nhiễu nhất định. Nhưng trong môi trường tín hiệu hỗn hợp, tín hiệu kỹ thuật số là nguồn nhiễu so với tín hiệu tương tự. Khi mạch kỹ thuật số hoạt động, chỉ có hai mức điện áp cao và thấp, đó là điện áp hiệu quả ổn định. Khi đầu ra logic kỹ thuật số thay đổi từ điện áp cao sang điện áp thấp, chân nối đất của thiết bị sẽ xả, tạo ra dòng điện chuyển mạch, đó là hành động chuyển mạch của mạch. Mạch kỹ thuật số càng nhanh, thời gian chuyển đổi thông thường sẽ càng ngắn. Khi một số lượng lớn các mạch chuyển mạch đồng thời thay đổi từ mức logic cao sang logic thấp, nó dẫn đến một số lượng lớn các dòng chuyển mạch do khả năng không đủ của dây mặt đất để đi qua dòng điện. Biến động điện áp mặt đất hợp lý, chúng tôi gọi nó là hồi phục mặt đất. Như thể hiện trong hình 1. Tiếng ồn hồi phục đất và nhiễu điện do mạch kỹ thuật số gây ra, nếu được ghép vào mạch tương tự, sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch tương tự. Do nguồn điện và thanh bus nối đất tạo ra khá nhiều nguồn gây nhiễu, trong đó tiếng ồn gây ra bởi dây mặt đất, thiết kế của nguồn điện và nguồn điện đặc biệt quan trọng trong thiết kế PCB. Nguyên tắc xử lý chung của thiết kế PCB mạch hỗn hợp kỹ thuật số đã đề cập ở trên cơ chế tạo nhiễu mạch hỗn hợp, vậy làm thế nào để giảm nhiễu lẫn nhau giữa tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu tương tự? Hai nguyên tắc cơ bản của khả năng tương thích điện từ (EMC) phải được hiểu trước khi thiết kế: nguyên tắc đầu tiên là giảm thiểu diện tích của vòng lặp hiện tại và nếu tín hiệu không thể quay trở lại qua vòng lặp nhỏ nhất có thể, một vòng lặp lớn có thể hình thành ăng ten hình dạng. Nguyên tắc thứ hai là hệ thống chỉ sử dụng một mặt phẳng tham chiếu. Ngược lại, nếu hệ thống có hai mặt phẳng tham chiếu, nó có thể hình thành ăng ten lưỡng cực. Cả hai điều này nên được tránh càng nhiều càng tốt trong thiết kế. a) Nguyên tắc bố trí và định tuyến. Một trong những yếu tố đầu tiên cần xem xét trong bố trí phần tử là tách phần mạch analog khỏi phần mạch kỹ thuật số. Tín hiệu analog được định tuyến trong khu vực analog của tất cả các lớp của bảng, trong khi tín hiệu kỹ thuật số được định tuyến trong khu vực mạch kỹ thuật số. Trong trường hợp này, dòng điện trở lại của tín hiệu kỹ thuật số không chảy vào tín hiệu tương tự. Đối với một số đường có tần số cao hơn và có yêu cầu đặc biệt, đường vi sai hoặc đường che chắn có thể được sử dụng nếu cần thiết. Đôi khi, do vị trí của các đầu nối đầu vào/đầu ra đòi hỏi phải có dây cho các mạch kỹ thuật số hỗn hợp và tương tự, có khả năng cao các mạch analog và kỹ thuật số can thiệp với nhau. Điều này là để tránh chạy đường đồng hồ kỹ thuật số và đường tín hiệu analog tần số cao gần mặt phẳng nguồn tương tự, nếu không, tiếng ồn của tín hiệu nguồn sẽ được ghép nối với tín hiệu analog nhạy cảm. Để đạt được nguồn điện trở kháng thấp và mạng nối đất, điện trở cảm của dây dẫn mạch kỹ thuật số nên được giảm thiểu và khớp nối điện dung của mạch analog nên được giảm thiểu. Tần số của mạch kỹ thuật số cao và độ nhạy của mạch analog mạnh. Đối với đường tín hiệu, đường tín hiệu kỹ thuật số tần số cao nên được giữ càng xa các thiết bị mạch analog nhạy cảm càng tốt. (2) Xử lý nguồn điện và mặt đất. Trong thiết kế của bảng mạch lai phức tạp, cách bố trí và xử lý dấu vết mặt đất là những yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu suất mạch. Nó đã được đề xuất để tách mặt đất kỹ thuật số và analog trên bảng tín hiệu hỗn hợp để đạt được sự cô lập giữa mặt đất kỹ thuật số và analog. Nhưng phương pháp này có xu hướng vượt qua khoảng cách phân chia, có thể dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ bức xạ điện từ và nhiễu xuyên âm tín hiệu. Biết được dòng điện đang ở đâu và làm thế nào để quay trở lại mặt đất là chìa khóa để tối ưu hóa thiết kế bảng tín hiệu hỗn hợp. Nếu sự hình thành phải được tách ra và hệ thống dây điện phải đi qua khoảng trống giữa các bộ phận, một điểm duy nhất có thể được kết nối giữa các bộ phận riêng biệt để tạo thành một cầu nối giữa hai bộ phận và sau đó được định tuyến qua cầu nối. Bằng cách này, đường dẫn trở lại DC có thể được cung cấp dưới mỗi đường tín hiệu hoặc tín hiệu vượt qua khoảng cách áp suất riêng phần có thể được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị cách ly quang học, máy biến áp, v.v. Tuy nhiên, trong công việc thực tế, PCB có xu hướng được thiết kế theo cách tiếp cận mặt đất thống nhất. Một số vấn đề về bố cục và hệ thống dây điện khó giải quyết thường có thể được giải quyết bằng cách phân chia các mạch kỹ thuật số và analog và hệ thống dây tín hiệu thích hợp, và một số lỗi tiềm ẩn do tách mặt đất sẽ không xảy ra. Bằng cách so sánh kết quả kiểm tra bảng mạch, các giải pháp thống nhất cũng được tìm thấy vượt trội so với các giải pháp phân đoạn về chức năng và hiệu suất EMC. Thường có nguồn điện kỹ thuật số và analog riêng biệt trên PCB tín hiệu hỗn hợp, và các mặt phẳng nguồn riêng biệt nên được sử dụng bên cạnh và bên dưới mặt phẳng mặt đất. Mặt phẳng công suất có thể kết hợp dòng RF với mạch có thể được kết nối với không gian. Để giảm hiệu ứng ghép nối này, mặt phẳng nguồn được yêu cầu phải nhỏ hơn 20H về mặt vật lý so với mặt phẳng mặt đất liền kề của nó (H đề cập đến khoảng cách giữa nguồn điện và mặt phẳng mặt đất). (3) Xử lý thiết bị trộn. Các bộ phận trộn phổ biến bao gồm dao động tinh thể, thiết bị AD tốc độ cao, v.v., mạch kỹ thuật số có hai phần