PCB Blogu - PCB kartı karışık sinyal bölüm tasarımı

PCB kartı hakkında, dijital ve analog sinyaller arasındaki müdahaleyi nasıl azaltılır? Elektromanyetik uyumluluğun (EMC) iki temel ilkesi tasarımdan önce anlaşılmalıdır: İlk ilke akım döngü alanını en aza indirmektir; İkinci prensip, sistemin sadece bir referans düzlemi kullanmasıdır. Aksine, sistemin iki referans düzlemi varsa, bir dipol anteni oluşturmak mümkündür (not: küçük bir dipol antenin radyasyonu hattın uzunluğuna, akım miktarına ve frekansına orantılıdır). Eğer sinyal mümkün olan en küçük döngüden dönmezse, büyük bir dairesel ant oluşturulabilir. Tasarımınızda mümkün olduğunca her ikisinden kaçının.

Dijital zemin ve analog zemin arasındaki izolasyonu elde etmek için karışık sinyal devre kartında dijital zemin ve analog zemin ayırılması önerilmiştir. Bu yaklaşım uygulanabilir olsa da, özellikle büyük ve karmaşık sistemlerde birçok potansiyel soruna sahiptir. Anahtar sorun, boşluk kablosunu geçmemektir, boşluk kablosunu geçtikten sonra, elektromanyetik radyasyon ve sinyal çapraz konuşma önemli ölçüde artacaktır. PCB kartı tasarımında yaygın bir sorun, sinyal hattının yerden veya güç kaynağından geçmesinden kaynaklanan EMI sorunudur. Yukarıdaki segmentasyon yöntemini kullanıyoruz ve sinyal hattı iki zemin arasındaki boşluğu kapsar, sinyal akımının dönüş yolu nedir? Diyelim ki iki bölünmüş toprak bir noktada (genellikle bir noktada tek bir nokta) bağlantılıdır, bu durumda yeryüzü akımı büyük bir döngü oluşturacaktır. Büyük döngüden geçen yüksek frekans akımı radyasyon ve yüksek zemin indüktansı üretecektir. Büyük döngüden geçen düşük seviyeli analog akımın dış sinyaller tarafından müdahale edilmesi kolaysa. Kötü olan, bölümler güç kaynağında birbirine bağlandığında çok büyük bir akım döngüsü oluşturulmasıdır. Ayrıca, uzun bir tel ile bağlanan analog ve dijital zemin bir dipol anteni oluşturur.

Karışık sinyal devre kartı tasarımını optimize etmenin anahtarıdır. Birçok tasarım mühendisi sadece sinyal akımının nerede akışını göz önüne alır ve akımın belirli yolunu görmezden gelir. Yer katmanı bölünmesi ve bölümler arasındaki boşluktan yönlendirilmesi gerekiyorsa, bölünmüş zemin arasında iki zemin katmanı arasında bir bağlantı köprüsü oluşturmak için tek noktalı bir bağlantı yapılabilir ve daha sonra bağlantı köprüsü üzerinden yönlendirilebilir. Bu şekilde, her sinyal hattının altında bir doğrudan akım geri akış yolu sağlanabilir ve sonuç olarak küçük bir döngü alanı oluşturulabilir.

Optik izolasyon cihazları veya trafo da segmentasyon boşluğunu geçen sinyali gerçekleştirmek için kullanılabilir. İlk olarak, segmentasyon boşluğunu kapsayan optik sinyaldir. Bir transformatör durumunda, bölüm boşluğunu kapsayan manyetik alandır. Diferensial sinyaller de mümkündür: sinyaller bir satırdan akıyor ve diğerinden dönüyor, bu durumda gereksiz olarak geri akış yolları olarak kullanılırlar.

Dijital sinyalin analog sinyale müdahalesini keşfetmek için önce yüksek frekans akımının özelliklerini anlamalıyız. Yüksek frekanslı akım her zaman impedansı (induktansı), sinyalin doğrudan altındaki yolu seçer, böylece geri dönüş akımı, bitişik katmanın güç veya yer katmanı olup olmadığına bağımsız olarak bitişik devre katmanından geçecektir. Pratikte, genellikle analog ve dijital parçalara eşit bir PCB bölümü kullanmak tercih edilir. Analog sinyaller kartın tüm katmanlarının analog bölgesinde yönlendirilir, dijital sinyaller ise dijital devre bölgesinde yönlendirilir. Bu durumda, dijital sinyal dönüş akımı analog sinyalin zemine akmaz. Dijital sinyallerden analog sinyallere müdahale sadece dijital sinyaller yönlendirildiğinde veya analog sinyaller devre kartının dijital parçaları üzerinden yönlendirildiğinde meydana gelir. Bu sorun bölünme eksikliğinden kaynaklanmıyor, gerçek nedeni dijital sinyallerin yanlış kablolamasıdır.

PCB tasarımı, dijital devre ve analog devre bölümü ve uygun sinyal kablolaması aracılığıyla birleştirilmiş kullanır, genellikle daha zor düzen ve kablolama sorunlarından bazılarını çözebilir, ancak aynı zamanda yeryüzü bölünmesinden kaynaklanan bazı potansiyel sorunlara sahip değildir. Bu durumda, bileşenlerin düzeni ve bölünmesi tasarımın kalitesini belirlemede kritik hale gelir. Doğru şekilde düzenleniyorsa, dijital zemin akımı tahtanın dijital kısmıyla sınırlı olacak ve analog sinyale müdahale etmeyecektir. Bu tür kablolar, kablolar kurallarına %100 uygunluğunu sağlamak için dikkatlice kontrol edilmelidir ve kontrol edilmelidir. Aksi takdirde, yanlış bir sinyal hattı çok iyi bir devre kartını tamamen yok edecektir.

A / D dönüştürücülerin analog ve dijital zemin pinlerini bir araya bağlarken, çoğu A / D dönüştürücü üreticisi, AGND ve DGND pinlerinin kısa kablolar kullanarak aynı düşük impedanslı zemine bağlanmasını önerir (Not: Çoğu A / D dönüştürücü çipleri analog ve dijital zemini içsel olarak bir araya bağlamadığından, analog ve dijital zemin dış pinler aracılığıyla bağlanmalıdır), DGND'ye bağlanan herhangi bir dış impedansı, IC içindeki analog devreye parazit kapasitans aracılığıyla daha fazla dijital Bu öneri takiben, hem A / D dönüştürücü AGND hem de DGND pinlerinin analog zemine bağlanması gerekir, ancak bu yaklaşım, dijital sinyal ayırma kondansatörünün zemin ucunun analog veya dijital zemine bağlanması gibi soruları ortaya çıkarır.

Sistemin sadece bir A / D dönüştürücüsü varsa yukarıdaki sorun kolayca çözülebilir. Toprak bölünür ve analog ve dijital toprak parçaları A / D dönüştürücüsü altında birbirine bağlanır. Bu yöntem kabul edildiğinde, iki sitenin arasındaki köprü genişliğinin IC genişliğine eşit olmasını ve hiçbir sinyal hattının bölüm boşluğunu geçememesini sağlamak gerekir. Sistemde birçok A/D dönüştürücüsü varsa, örneğin, 10 A/D dönüştürücüsü nasıl bağlanır? Analog ve dijital zemin her A / D dönüştürücüsü altında bağlanırsa, Çok noktalı bir bağlantı ortaya çıkar ve analog ve dijital zemin arasındaki izolasyon anlamsız olacaktır. Bunu yapmazsanız, üreticinin gereksinimlerini ihlal edersiniz. Bunu yapmanın yolu bir üniformadan başlamaktır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, zemin aynı şekilde analog ve dijital parçalara bölünmüştür. Bu düzen sadece IC cihaz üreticilerinin analog ve dijital zemin pinlerinin düşük impedanslı bağlantısı için gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda döngü anteni veya dipol antenin neden olduğu EMC sorunlarından da kaçınır.

Karışık sinyal PCB tasarımının birleşik yaklaşımı hakkında şüpheleriniz varsa, tüm devre kartını düzenlemek ve yönlendirmek için zemin katmanı bölme yöntemini kullanabilirsiniz. Tasarımda, devre kartının daha sonraki deneyde 1/2 inçten daha az aralıklı atlayıcılar veya 0 ohm dirençleri ile birlikte bağlanmasını kolaylaştırmak için dikkat edilmelidir. Tüm katmanlarda hiçbir dijital sinyal hattının analog bölümün üstünde olmadığını ve hiçbir analog sinyal hattının dijital bölümün üstünde olmadığını sağlamak için bölgelendirmeye ve kablolamaya dikkat edin. Ayrıca, hiçbir sinyal hattı zemin boşluğunu geçmemelidir veya güç kaynakları arasındaki boşluğu bölmemelidir. Kartın fonksiyonunu ve EMC performansını test etmek için, iki katı 0 ohm direnci veya atlayıcı aracılığıyla bir araya getirerek kartın fonksiyonunu ve EMC performansını yeniden test edin. Test sonuçları karşılaştırıldığında, neredeyse tüm durumlarda, birleşik çözümün, bölünmüş çözüme kıyasla işlevsellik ve EMC performansı açısından üstün olduğu bulundu.

Toprağı bölme yöntemi hala çalışıyor mu?

Bu yaklaşım üç durumda kullanılabilir: bazı tıbbi cihazlar, hastaya bağlı devreler ve sistemler arasında çok düşük sızıntı akımı gerektirir; Bazı endüstriyel süreç kontrol ekipmanlarının çıkışı gürültülü ve yüksek güçlü elektromekanik ekipmanlara bağlanabilir; Bir başka durum da PCB'nin LAYOUT'unun belirli kısıtlamalara tabi olduğu durumdur. Genellikle ayrı dijital ve analog güç kaynakları, bölünmüş bir güç kaynağı yüzüne sahip olabilir ve olmalıdır. Bununla birlikte, güç kaynağı katmanına bitişik sinyal hatları güç kaynakları arasındaki boşluğu geçemez ve boşluğu geçen tüm sinyal hatları büyük alana bitişik devre katmanında bulunmalıdır. Bazı durumlarda, analog güç kaynağı, güç yüzü bölünmesini önlemek için bir yüz yerine PCB bağlantıları ile tasarlanabilir.

Karışık sinyal PCB kartı tasarımı karmaşık bir süreçtir, tasarım süreci aşağıdaki noktalara dikkat etmelidir:

1. PCB kartını ayrı analog ve dijital parçalara bölün.

2. Doğru bileşen düzeni.

3.A / D dönüştürücüsü bölümlere yerleştirilir.

4. Yeri bölmeyin. Analog parça ve devre kartının dijital parçası aynı şekilde yerleştirilir.

5. PCB kartının tüm katmanlarında, dijital sinyal yalnızca PCB kartının dijital kısmında yönlendirilebilir.

6. PCB kartının tüm katmanlarında, analog sinyaller yalnızca PCB kartının analog kısmında yönlendirilebilir.

7. Analog ve dijital güç ayırımı.

8. Kablolama bölünmüş güç kaynağı yüzeyleri arasındaki boşluğu kapsamamalıdır.

9. Bölünmiş güç kaynakları arasındaki boşluğu kapsaması gereken sinyal hatları büyük bir alana bitişik kablolama katmanında bulunmalıdır.

10. Dünya akımı akışının gerçek yolunu ve modunu analiz edin.

11. Doğru kablolama kurallarını kullanın.