Thông tin PCB - Thiết kế phân vùng cho bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp

Thiết kế của bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp rất phức tạp, bố trí và định tuyến của các thành phần, cũng như xử lý dây điện và dây mặt đất, tất cả sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất mạch và hiệu suất tương thích điện từ. Thiết kế phân vùng của mặt đất và nguồn điện được mô tả trong bài viết này có thể tối ưu hóa hiệu suất của mạch tín hiệu hỗn hợp. Làm thế nào để giảm nhiễu lẫn nhau giữa tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu analog? Hai nguyên tắc cơ bản của khả năng tương thích điện từ phải được hiểu trước khi thiết kế: nguyên tắc đầu tiên là giảm thiểu diện tích của vòng lặp hiện tại; Nguyên tắc thứ hai là hệ thống chỉ sử dụng một bề mặt tham chiếu. Ngược lại, nếu có hai mặt phẳng tham chiếu trong hệ thống, có thể hình thành ăng-ten lưỡng cực (lưu ý: kích thước bức xạ của ăng-ten lưỡng cực nhỏ tỷ lệ thuận với chiều dài của dây, kích thước và tần số của dòng chảy); Nếu tín hiệu không thể đi qua càng xa càng tốt. Khi một vòng lặp nhỏ trở lại, có thể hình thành một ăng-ten vòng lặp lớn (lưu ý: kích thước bức xạ của ăng-ten vòng lặp nhỏ tỷ lệ thuận với diện tích vòng lặp, bình phương của dòng điện và tần số chảy qua vòng lặp). Cả hai điều này nên được tránh càng nhiều càng tốt trong thiết kế. Nó đã được đề xuất để tách mặt đất kỹ thuật số và analog trên bảng mạch tín hiệu hỗn hợp, cho phép cô lập giữa mặt đất kỹ thuật số và analog. Mặc dù cách tiếp cận này là khả thi, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề tiềm ẩn, đặc biệt là trong các hệ thống lớn phức tạp. Vấn đề quan trọng là hệ thống dây không thể đi qua khe hở. Bức xạ điện từ và nhiễu xuyên âm tín hiệu sẽ tăng mạnh khi hệ thống dây điện bị cắt ngang. Một vấn đề phổ biến trong thiết kế bảng mạch PCB là các đường tín hiệu đi qua mặt đất bị chia cắt hoặc nguồn điện, tạo ra các vấn đề EMI.

Chúng ta sử dụng phép chia ở trên, đường tín hiệu đi qua khoảng cách giữa hai mặt đất, đường trở lại của dòng tín hiệu là gì? Giả sử rằng hai mặt đất tách biệt được kết nối với nhau ở một nơi nào đó (thường là một điểm duy nhất được kết nối tại một vị trí), trong trường hợp này, dòng điện mặt đất sẽ tạo thành một vòng lặp lớn. Dòng điện tần số cao chảy qua các mạch lớn sẽ tạo ra bức xạ và độ cảm đất cao. Nếu dòng mô phỏng mức thấp chảy qua vòng lặp lớn có thể dễ dàng bị nhiễu bởi các tín hiệu bên ngoài. Thật không may, khi các nối đất riêng biệt được kết nối với nhau tại nguồn điện, một vòng lặp hiện tại rất lớn được hình thành. Ngoài ra, kết nối kỹ thuật số và tương tự với nhau bằng dây dài để tạo thành ăng ten lưỡng cực. Biết được dòng điện trở lại mặt đất ở đâu và như thế nào là chìa khóa để tối ưu hóa thiết kế bảng tín hiệu hỗn hợp. Nhiều kỹ sư thiết kế chỉ xem xét dòng chảy của dòng tín hiệu và bỏ qua con đường cụ thể của dòng điện. 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 bằng cầu nối. Bằng cách này, đường dẫn trở lại DC có thể được cung cấp dưới mỗi đường tín hiệu, làm cho diện tích vòng lặp hình thành nhỏ. Tín hiệu vượt qua khoảng cách phân chia cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ cách ly quang học hoặc máy biến áp. Đối với trước đây, nó là tín hiệu ánh sáng đi qua khoảng cách phân chia; Trong trường hợp máy biến áp, đó là từ trường đi qua khoảng cách áp suất riêng phần. Một cách khác có thể là sử dụng tín hiệu khác biệt: tín hiệu đi ra từ một dòng và quay trở lại từ dòng khác, trong trường hợp này không cần nối đất làm đường dẫn trở lại. Để đi sâu vào sự can thiệp của tín hiệu kỹ thuật số vào tín hiệu tương tự, trước tiên phải hiểu các đặc tính của dòng điện tần số cao. Dòng điện tần số cao luôn chọn trở kháng (cảm ứng), đây là một con đường trực tiếp bên dưới tín hiệu, do đó dòng điện trở lại chảy qua lớp mạch liền kề, bất kể lớp mạch đó là mặt phẳng nguồn hay mặt đất.

Trong thực tế, nó thường được ưa thích để sử dụng một mặt đất thống nhất, với bảng PCB được chia thành các phần analog và kỹ thuật số. Tín hiệu analog được định tuyến trong khu vực analog trên 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, tín hiệu kỹ thuật số trở lại hiện tại mà không chảy vào tín hiệu tương tự. Nhiễu digital-mode chỉ xảy ra khi tín hiệu kỹ thuật số được định tuyến trên phần analog của bảng hoặc sau khi tín hiệu analog được định tuyến trên phần kỹ thuật số của bảng. Vấn đề không phải là không có mặt đất, lý do thực sự là tín hiệu kỹ thuật số được nối dây không đúng cách. Thiết kế bảng PCB sử dụng 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 mà không gây ra một số vấn đề tiềm ẩn do tách mặt đất. Trong trường hợp này, bố cục và phân vùng của các thành phần trở thành chìa khóa để xác định chất lượng thiết kế. Với cách bố trí thích hợp, dòng điện mặt đất kỹ thuật số sẽ được giới hạn trong phần kỹ thuật số của bảng và sẽ không can thiệp vào tín hiệu tương tự. Loại dây này phải được kiểm tra cẩn thận để đảm bảo tuân thủ 100% các quy tắc dây. Nếu không, các đường tín hiệu không được định tuyến đúng cách có thể phá hủy hoàn toàn bảng mạch ban đầu rất tốt. Khi kết nối các chân nối đất tương tự và chân nối đất kỹ thuật số của bộ chuyển đổi A/D với nhau, hầu hết các nhà sản xuất bộ chuyển đổi A/D khuyên bạn nên kết nối các chân AGND và DGND với cùng một mặt đất trở kháng thấp bằng các chân ngắn. (Lưu ý: Vì hầu hết các chip chuyển đổi A/D không kết nối analog và kỹ thuật số với nhau, analog và kỹ thuật số phải được kết nối bằng các chân bên ngoài), bất kỳ trở kháng bên ngoài nào được kết nối với DGND đều đi qua một tụ điện ký sinh. Nhiều tiếng ồn kỹ thuật số được ghép nối với mạch analog bên trong IC. Theo khuyến nghị này, cả chân AGND và DGND của bộ chuyển đổi A/D cần được kết nối với mặt đất tương tự, nhưng phương pháp này tạo ra các câu hỏi như liệu mặt đất của tụ điện tách tín hiệu kỹ thuật số nên được kết nối với mặt đất tương tự hay kỹ thuật số. Nếu hệ thống chỉ có một bộ chuyển đổi A/D, vấn đề trên rất dễ giải quyết. Như thể hiện trong hình 3 ở trên, nối đất được tách ra và các phần nối đất tương tự và kỹ thuật số được kết nối với nhau dưới bộ chuyển đổi A/D. Khi áp dụng phương pháp này, cần đảm bảo rằng cầu nối giữa hai mặt đất có cùng chiều rộng như IC và không có đường tín hiệu nào có thể đi qua khoảng cách phân chia. Ví dụ: nếu có nhiều bộ chuyển đổi A/D trong hệ thống, làm thế nào để kết nối 10 bộ chuyển đổi A/D? Nếu được kết nối với nhau dưới mỗi bộ chuyển đổi A/D tương tự và kỹ thuật số, sẽ có một kết nối đa điểm và sự cô lập giữa tương tự và kỹ thuật số sẽ trở nên vô nghĩa. Nếu bạn không kết nối theo cách này, bạn đang vi phạm yêu cầu của nhà sản xuất. Giải pháp là bắt đầu với một nền tảng thống nhất. Như được hiển thị trong hình 4 dưới đây, mặt đất thống nhất được chia thành phần analog và phần kỹ thuật số. Cách bố trí và hệ thống dây điện này không chỉ đáp ứng yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị IC về kết nối trở kháng thấp cho các chân nối đất tương tự và chân nối đất kỹ thuật số, mà còn không tạo ra các vấn đề về EMC bằng cách hình thành ăng ten vòng hoặc ăng ten lưỡng cực.

Nếu bạn có thắc mắc về phương pháp nối đất thống nhất cho thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp, bạn có thể sử dụng phương pháp phân chia hình thành để bố trí và định tuyến toàn bộ bảng mạch. Khi thiết kế, hãy cẩn thận để làm cho bảng dễ sử dụng trong các thí nghiệm tiếp theo. Dây vá hoặc điện trở 0 ohm với khoảng cách nhỏ hơn 1/2 inch kết nối các mặt đất riêng biệt với nhau. Chú ý đến các phân vùng và hệ thống dây điện, đảm bảo rằng không có đường tín hiệu kỹ thuật số nào trên tất cả các lớp nằm ở trên cùng của phần analog và không có đường tín hiệu analog nào ở trên cùng của phần kỹ thuật số. Ngoài ra, không có đường tín hiệu nào có thể vượt qua khoảng cách mặt đất hoặc phân chia khoảng cách giữa các nguồn điện. Để kiểm tra chức năng của bảng và hiệu suất EMC, hãy kiểm tra lại hiệu suất của bảng và hiệu suất EMC bằng cách kết nối hai mặt đất với nhau thông qua điện trở 0 ohm hoặc dây vá. Kết quả kiểm tra so sánh cho thấy trong hầu hết các trường hợp, các giải pháp hợp nhất vượt trội hơn các giải pháp phân đoạn về chức năng và hiệu suất EMC. Phương pháp phân chia đất đai có còn hữu ích không? Phương pháp này có thể được sử dụng trong ba tình huống: một số thiết bị y tế yêu cầu dòng rò rỉ thấp giữa mạch và hệ thống được kết nối với bệnh nhân; Đầu ra của một số thiết bị điều khiển quá trình công nghiệp có thể được kết nối với các thiết bị cơ điện có tiếng ồn lớn và công suất lớn; Một trường hợp khác là khi bố trí của bảng PCB bị ràng buộc bởi một số hạn chế nhất định. Thông thường có nguồn điện kỹ thuật số và analog riêng biệt trên PCB tín hiệu hỗn hợp và các mặt phẳng nguồn riêng biệt có thể và nên được sử dụng. Tuy nhiên, các đường tín hiệu liền kề trực tiếp với lớp nguồn không thể vượt qua khoảng cách giữa các nguồn và tất cả các đường tín hiệu đi qua khoảng cách này phải nằm trên lớp mạch liền kề trực tiếp với mặt đất rộng lớn. Trong một số trường hợp, thiết kế nguồn điện tương tự như cáp kết nối PCB thay vì mặt phẳng có thể tránh được vấn đề phân chia mặt phẳng nguồn điện.

Thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp là một quá trình phức tạp. Có một số điều cần lưu ý trong quá trình thiết kế:

1) Chia bảng PCB thành các phần tương tự và kỹ thuật số riêng biệt.

2) bố trí thành phần thích hợp.

3) Bộ chuyển đổi A/D được đặt trên các phân vùng.

4) Không phân chia mặt đất. Nối đất đồng đều được thực hiện bên dưới các phần tương tự và kỹ thuật số của bảng.

5) Trong tất cả các lớp của bảng, tín hiệu kỹ thuật số chỉ có thể được định tuyến trong phần kỹ thuật số của bảng.

6) Trong tất cả các lớp của bảng, tín hiệu analog chỉ có thể được định tuyến trong phần analog của bảng.

7) Thực hiện phân phối năng lượng tương tự và kỹ thuật số.

8) Các dây không thể vượt qua khoảng cách giữa các mặt phẳng cung cấp điện được chia.

9) Các đường tín hiệu phải đi qua khoảng cách giữa các nguồn điện riêng biệt phải được đặt trên lớp cáp ngay cạnh mặt đất rộng lớn.

10) Phân tích đường đi và phương pháp thực sự trở lại dòng điện mặt đất.

11) Sử dụng đúng quy tắc định tuyến PCB Board.