Zusammenfassung: Das Design von Mixed-Signal-PCB-Schaltkreisen (Printed Circuit Board) ist komplex, da sich die Anordnung der Komponenten, die Verlegung und die Handhabung von Netzteilen und Erdungsleitungen direkt auf die Schaltkreisleistung und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auswirken. In diesem Artikel wird ein Zonendesign für Erdung und Stromversorgung vorgestellt, das die Leistung von Mixed-Signal-Schaltungen optimieren kann.

Wie können wir die gegenseitige Beeinflussung digitaler und analoger Signale reduzieren? Vor dem Entwurf ist es wichtig, zwei Grundprinzipien der EMV zu verstehen: Das erste Prinzip besteht darin, die Fläche der Stromschleifen so gering wie möglich zu halten; Das zweite Prinzip besteht darin, eine einzige Referenzebene für das System zu verwenden. Wenn das System hingegen über zwei Referenzebenen verfügt, kann es eine Dipolantenne bilden (Hinweis: Die Strahlung einer kleinen Dipolantenne ist proportional zur Länge der Drähte, der Stärke des durch sie fließenden Stroms und der Frequenz). Wenn Signale nicht durch die kleinstmöglichen Schleifen zurückkehren können, kann außerdem eine große Rahmenantenne gebildet werden (Hinweis: Die Strahlung einer kleinen Rahmenantenne ist proportional zur Schleifenfläche, der Stärke des durch die Schleife fließenden Stroms und dem Quadrat von die Frequenz). Beide Szenarien sollten im Design so weit wie möglich vermieden werden.

Einige schlagen vor, digitale und analoge Masse auf Mixed-Signal-Karten zu trennen, um eine Isolierung zwischen ihnen zu erreichen. Obwohl dieser Ansatz machbar ist, wirft er zahlreiche potenzielle Probleme auf, insbesondere in komplexen, großen Systemen. Das kritischste Problem ist die Unfähigkeit, Drähte über die Spaltlücken zu verlegen, da dies die elektromagnetische Strahlung und das Signalübersprechen dramatisch erhöhen kann. Das häufigste Problem beim PCB-Design sind EMI-Probleme, die dadurch entstehen, dass Signalleitungen getrennte Erdungen oder Netzteile kreuzen.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, wenden wir die oben genannte Segmentierungsmethode an. Wenn die Signalleitung die Lücke zwischen zwei Erdungen überbrückt, was ist dann der Rückweg für den Signalstrom? Unter der Annahme, dass die beiden segmentierten Erdungen irgendwo miteinander verbunden sind (normalerweise an einem einzigen Punkt), bildet der Erdstrom in diesem Fall eine große Schleife. Hochfrequente Ströme, die durch diese große Schleife fließen, erzeugen Strahlung und eine hohe Erdinduktivität. Wenn durch diese große Schleife analoge Ströme mit niedrigem Pegel fließen, sind sie anfällig für externe Signalstörungen. Das schlimmste Szenario ist, wenn die segmentierten Erdungen an der Stromversorgung angeschlossen werden und eine extrem große Stromschleife entsteht. Darüber hinaus entsteht durch die Verbindung analoger und digitaler Masse über ein langes Kabel eine Dipolantenne.

Für die Optimierung des Mixed-Signal-PCB-Designs ist es von entscheidender Bedeutung, den Weg und die Art und Weise der Stromrückführung zur Erde zu verstehen. Viele Konstrukteure berücksichtigen lediglich, wo der Signalstrom fließt, und vernachlässigen den spezifischen Strompfad. Wenn eine Segmentierung der Erdungsebene erforderlich ist und die Verlegung die Lücke zwischen den Segmenten überqueren muss, stellen Sie zunächst eine Einzelpunktverbindung zwischen den segmentierten Erdungen her, bilden Sie eine Brücke zwischen ihnen, und verlegen Sie dann die Route durch diese Brücke. Dies stellt einen direkten Stromrückweg unter jeder Signalleitung sicher und minimiert so die Schleifenfläche.

Es können auch optische Isolatoren oder Transformatoren eingesetzt werden, um die Signalübertragung über segmentierte Lücken zu ermöglichen. Im ersteren Fall durchqueren optische Signale die Lücke; im letzteren Fall tun es Magnetfelder. Eine weitere praktikable Option ist die Verwendung von Differenzsignalen, bei denen das Signal in eine Leitung fließt und über eine andere zurückfließt, sodass keine Erdung als Rückweg erforderlich ist.

Um die Interferenz digitaler Signale mit analogen Signalen zu untersuchen, ist es wichtig, die Natur hochfrequenter Ströme zu verstehen. Hochfrequente Ströme wählen immer den Weg mit der geringsten Impedanz (geringster Induktivität) direkt unter dem Signal, daher fließen Rückströme durch benachbarte Schaltungsschichten, seien es Strom- oder Masseebenen.

In der Praxis ist es üblich, eine einheitliche Erdung zu verwenden und die Leiterplatte in analoge und digitale Abschnitte zu unterteilen. Analoge Signale werden innerhalb des analogen Bereichs auf allen Leiterplattenebenen weitergeleitet, während digitale Signale innerhalb des digitalen Bereichs weitergeleitet werden. Dadurch wird verhindert, dass digitale Rückströme in die analoge Masse fließen.

Störungen von digitalen Signalen auf analoge Signale treten nur dann auf, wenn digitale Signale über den analogen Abschnitt geleitet werden oder umgekehrt. Die Hauptursache ist nicht die Bodensegmentierung, sondern die falsche Weiterleitung digitaler Signale.

Die Verwendung einer einheitlichen Erdung beim PCB-Design, die Aufteilung digitaler und analoger Schaltkreise und eine geeignete Signalführung lösen oft komplexe Layout- und Routing-Herausforderungen, ohne potenzielle Probleme durch die Erdungssegmentierung mit sich zu bringen. In diesem Fall sind die Platzierung und Aufteilung der Komponenten entscheidend für die Designqualität. Bei richtiger Anordnung und Leitungsführung werden digitale Erdströme auf den digitalen Bereich beschränkt, wodurch Interferenzen mit analogen Signalen vermieden werden. Eine solche Streckenführung erfordert eine sorgfältige Prüfung und Überprüfung, um eine hundertprozentige Einhaltung der Streckenführungsregeln sicherzustellen. Andernfalls kann eine einzige falsch verlegte Signalleitung eine ansonsten hervorragende Leiterplatte ruinieren.

Bei der Verbindung der analogen und digitalen Erdungsstifte eines A/D-Wandlers empfehlen die meisten Hersteller, die AGND- und DGND-Stifte mit den kürzesten Leitungen an eine einzelne niederohmige Erdung anzuschließen (Hinweis: Die meisten A/D-Wandler-Chips verbinden intern keine analogen und digitale Erdungen, die externe Pin-Verbindungen erfordern). Jede an DGND angeschlossene externe Impedanz kann durch parasitäre Kapazität mehr digitales Rauschen in die internen analogen Schaltkreise des IC einkoppeln. Gemäß dieser Empfehlung sollten sowohl die AGND- als auch die DGND-Pins des A/D-Wandlers mit der analogen Masse verbunden werden. Dies wirft jedoch die Frage auf, wo die Entkopplungskondensatoren für digitale Signale geerdet werden sollen – an der analogen oder digitalen Masse.

Wenn das System nur über einen A/D-Wandler verfügt, ist die Lösung unkompliziert. Teilen Sie die Erdung auf, wie in Abbildung 3 dargestellt, und verbinden Sie die analogen und digitalen Erdungsabschnitte unter dem A/D-Wandler. Stellen Sie dabei sicher, dass die Brücke, die die beiden Massen verbindet, genauso breit ist wie der IC und dass keine Signalleitungen die Lücke kreuzen.

Wenn es viele A/D-Wandler im System gibt, beispielsweise 10 A/D-Wandler, wie werden diese angeschlossen? Wenn die analoge Masse und die digitale Masse unter jedem A/D-Wandler miteinander verbunden sind, führt dies zu mehreren Verbindungspunkten und die Isolierung zwischen der analogen Masse und der digitalen Masse ist bedeutungslos. Wenn es nicht auf diese Weise angeschlossen wird, verstößt es gegen die Anforderungen des Herstellers.
Der beste Weg besteht darin, zu Beginn einen einheitlichen Grund zu verwenden. Wie in Abbildung 4 dargestellt, ist die einheitliche Masse in einen analogen Teil und einen digitalen Teil unterteilt. Dieses Layout und diese Verkabelung erfüllen nicht nur die Anforderungen der Hersteller von IC-Geräten an Verbindungen mit niedriger Impedanz zwischen analogen und digitalen Erdungsstiften, sondern erzeugen auch keine Rahmenantennen oder Dipolantennen, die EMV-Probleme verursachen können.

Wenn Sie Zweifel an der Verwendung eines einheitlichen Ansatzes für das Mixed-Signal-PCB-Design haben, können Sie die Ground-Layer-Segmentierungsmethode verwenden, um die gesamte Leiterplatte zu gestalten und zu verlegen. Achten Sie beim Entwurf darauf, dass sich die Platine bei späteren Experimenten durch Steckbrücken mit einem Abstand von weniger als 1/2 Zoll oder 0-Ohm-Widerständen leichter miteinander verbinden lässt. Achten Sie auf Partitionierung und Routing und stellen Sie sicher, dass sich auf allen Ebenen keine digitalen Signalleitungen über dem analogen Teil und keine analogen Signalleitungen über dem digitalen Teil befinden. Darüber hinaus kann keine Signalleitung die Erdungslücke überqueren oder die Lücke zwischen Stromversorgungen teilen. Um die Funktion und EMV-Leistung der Leiterplatte zu testen, verbinden Sie die beiden Erdungen mit einem 0-Ohm-Widerstand oder einer Brücke miteinander und testen Sie die Funktion und EMV-Leistung der Leiterplatte erneut. Beim Vergleich der Testergebnisse zeigt sich, dass in fast allen Fällen der einheitliche Ansatz dem geteilten Ansatz hinsichtlich Funktion und EMV-Leistung überlegen ist.

#Ist die Methode der Landaufteilung noch sinnvoll?
Diese Methode kann in den folgenden drei Situationen eingesetzt werden: Einige medizinische Geräte erfordern einen geringen Leckstrom zwischen den an den Patienten angeschlossenen Stromkreisen und Systemen; Der Ausgang einiger industrieller Prozesssteuerungsgeräte kann an elektromechanische Geräte mit hohem Rauschen und hoher Leistung angeschlossen sein. Eine andere Situation besteht darin, dass das Layout der Leiterplatte besonderen Einschränkungen unterliegt.
Auf Mixed-Signal-Leiterplatten gibt es in der Regel separate digitale und analoge Stromversorgungen, und es kann und sollte möglich sein, eine geteilte Stromversorgungsebene zu verwenden. Allerdings können Signalleitungen, die unmittelbar an die Stromversorgungsebene angrenzen, die Lücke zwischen Netzteilen nicht überqueren, und alle Signalleitungen, die diese Lücke überqueren, müssen sich auf der Schaltungsschicht befinden, die unmittelbar an die große Erdungsebene angrenzt. In einigen Fällen kann das Problem der Aufteilung der Stromversorgungsebene vermieden werden, wenn das analoge Netzteil mit PCB-Verbindungsleitungen anstelle einer einzelnen Ebene entworfen wird.

Das Mixed-Signal-PCB-Design ist ein komplexer Prozess und die folgenden Punkte sollten während des Designprozesses beachtet werden:

1. Teilen Sie die Leiterplatte in separate analoge und digitale Abschnitte auf.
2. Richtige Anordnung der Komponenten.
3. Über die Trennwand sind A/D-Wandler angebracht.
4. Teilen Sie den Boden nicht. Verlegen Sie die analogen und digitalen Teile der Platine gleichmäßig unter der Erde.
5. In allen Schichten der Platine können digitale Signale nur im digitalen Teil der Platine weitergeleitet werden.
6. In allen Lagen der Platine können analoge Signale nur im analogen Teil der Platine geführt werden.
7. Implementieren Sie die Trennung von analogen und digitalen Stromquellen.
8. Die Verkabelung darf die Lücke zwischen den geteilten Stromversorgungsflächen nicht überqueren.
9. Die Signalleitung, die die Lücke zwischen den geteilten Netzteilen überqueren muss, sollte sich auf der Verdrahtungsebene unmittelbar neben der großflächigen Erdung befinden.
10. Analysieren Sie den tatsächlichen Weg und die Art des Stroms, der zurück zum Boden fließt.
11. Übernehmen Sie die richtigen Verkabelungsregeln.