Resumen: El diseño de circuitos PCB (placa de circuito impreso) de señal mixta es complejo, donde la disposición de los componentes, el enrutamiento y el manejo de las fuentes de alimentación y las líneas de tierra impactan directamente el rendimiento del circuito y la compatibilidad electromagnética (EMC). Este artículo presenta un diseño de zonificación para fuentes de alimentación y tierra que puede optimizar el rendimiento de circuitos de señal mixta.

¿Cómo podemos reducir la interferencia mutua entre señales digitales y analógicas? Antes del diseño, es fundamental comprender dos principios fundamentales de EMC: el primer principio es minimizar el área de los bucles de corriente tanto como sea posible; el segundo principio es emplear un único plano de referencia para el sistema. Por el contrario, si el sistema tiene dos planos de referencia, puede formar una antena dipolo (nota: la radiación de una antena dipolo pequeña es proporcional a la longitud de los cables, la magnitud de la corriente que fluye a través de ellos y la frecuencia). Además, si las señales no pueden regresar a través de los bucles más pequeños posibles, se puede formar una antena de bucle grande (nota: la radiación de una antena de bucle pequeña es proporcional al área del bucle, la magnitud de la corriente que fluye a través del bucle y el cuadrado de la frecuencia). Ambos escenarios deben evitarse tanto como sea posible en el diseño.

Algunos sugieren segregar las tierras digitales y analógicas en tableros de señal mixta para lograr el aislamiento entre ellas. Si bien este enfoque es factible, plantea numerosos problemas potenciales, particularmente en sistemas complejos y de gran escala. El problema más crítico es la incapacidad de pasar los cables a través de los espacios divididos, ya que hacerlo puede aumentar drásticamente la radiación electromagnética y la diafonía de la señal. El problema más común que se encuentra en el diseño de PCB son los problemas de EMI que surgen de líneas de señal que se cruzan sobre fuentes de alimentación o tierras divididas.

Como se muestra en la Figura 1, adoptamos el método de segmentación antes mencionado, y cuando la línea de señal abarca el espacio entre dos masas, ¿cuál es la ruta de retorno de la corriente de señal? Suponiendo que las dos tierras segmentadas estén conectadas en algún lugar (generalmente en un solo punto), en este caso, la corriente de tierra formará un bucle grande. Las corrientes de alta frecuencia que fluyen a través de este gran bucle generan radiación y una alta inductancia de tierra. Si las corrientes analógicas de bajo nivel fluyen a través de este gran bucle, son susceptibles a interferencias de señales externas. El peor escenario es cuando las masas segmentadas están conectadas a la fuente de alimentación, formando un bucle de corriente extremadamente grande. Además, conectar tierras analógicas y digitales a través de un cable largo crea una antena dipolo.

Comprender el camino y la forma en que la corriente regresa a tierra es crucial para optimizar el diseño de PCB de señal mixta. Muchos ingenieros de diseño consideran únicamente hacia dónde fluye la corriente de señal, ignorando la ruta de corriente específica. Si es necesaria la segmentación del plano de tierra y el enrutamiento debe atravesar el espacio entre los segmentos, primero establezca una conexión de un solo punto entre las tierras segmentadas, formando un puente entre ellos y luego enruta a través de este puente. Esto asegura una ruta de retorno de corriente continua debajo de cada línea de señal, minimizando el área del bucle.

También se pueden emplear transformadores o aisladores ópticos para permitir que las señales atraviesen espacios segmentados. En el primer caso, las señales ópticas atraviesan el espacio; en este último, lo hacen los campos magnéticos. Otra opción viable es utilizar señales diferenciales, donde la señal fluye hacia una línea y regresa por otra, eliminando la necesidad de una tierra como ruta de retorno.

Para profundizar en la interferencia de señales digitales sobre señales analógicas, es fundamental comprender la naturaleza de las corrientes de alta frecuencia. Las corrientes de alta frecuencia siempre eligen el camino de menor impedancia (inductancia más baja), directamente debajo de la señal, por lo tanto, las corrientes de retorno fluyen a través de capas de circuito adyacentes, ya sean planos de potencia o de tierra.

En la práctica, es común utilizar una tierra unificada y dividir la PCB en secciones analógicas y digitales. Las señales analógicas se enrutan dentro del área analógica en todas las capas de PCB, mientras que las señales digitales se enrutan dentro del área digital. Esto evita que las corrientes de retorno digitales fluyan hacia la tierra analógica.

La interferencia de señales digitales a señales analógicas surge sólo cuando las señales digitales se enrutan a través de la sección analógica o viceversa. La causa fundamental no es la segmentación del terreno sino el enrutamiento inadecuado de las señales digitales.

La adopción de una base unificada en el diseño de PCB, la partición de circuitos digitales y analógicos y el enrutamiento de señales adecuado a menudo resuelven desafíos complejos de diseño y enrutamiento sin introducir problemas potenciales derivados de la segmentación de tierra. En este caso, la ubicación y partición de los componentes se vuelven fundamentales para la calidad del diseño. Con un diseño y enrutamiento adecuados, las corrientes de tierra digitales se limitan a la sección digital, evitando interferencias con las señales analógicas. Dicho enrutamiento requiere una inspección y verificación meticulosas para garantizar el 100% de cumplimiento de las reglas de enrutamiento. De lo contrario, una sola línea de señal mal enrutada puede arruinar una PCB que de otro modo sería excelente.

Al conectar los pines de tierra analógicos y digitales de un convertidor A/D, la mayoría de los fabricantes recomiendan conectar los pines AGND y DGND con los cables más cortos a una única tierra de baja impedancia (nota: la mayoría de los chips de convertidores A/D no conectan internamente analógicos y tierra digital, lo que requiere conexiones de clavijas externas). Cualquier impedancia externa conectada a DGND puede acoplar más ruido digital al circuito analógico interno del IC a través de capacitancia parásita. Siguiendo esta recomendación, los pines AGND y DGND del convertidor A/D deben conectarse a la tierra analógica, pero esto plantea dudas sobre dónde conectar a tierra los condensadores de desacoplamiento para señales digitales: a tierra analógica o digital.

Si el sistema tiene sólo un convertidor A/D, la solución es sencilla. Como se muestra en la Figura 3, divida la tierra y conecte las secciones de tierra analógica y digital debajo del convertidor A/D. Al hacerlo, asegúrese de que el puente que conecta las dos tierras sea tan ancho como el IC y que ninguna línea de señal cruce el espacio.

Si hay muchos convertidores A/D en el sistema, como 10 convertidores A/D, ¿cómo conectarlos? Si la tierra analógica y la tierra digital están conectadas juntas debajo de cada convertidor A/D, se producirán múltiples puntos de conexión y el aislamiento entre la tierra analógica y la tierra digital no tendrá sentido. Si no se conecta de esta manera, violará los requisitos del fabricante.
La mejor manera es utilizar un terreno unificado al principio. Como se muestra en la Figura 4, el terreno unificado se divide en una parte analógica y una parte digital. Este diseño y cableado no solo cumple con los requisitos de los fabricantes de dispositivos IC para conexiones de baja impedancia entre pines de tierra analógicos y digitales, sino que tampoco crea antenas de bucle o antenas dipolo que puedan causar problemas de EMC.

Si tiene dudas sobre el uso de un enfoque unificado para el diseño de PCB de señal mixta, puede utilizar el método de segmentación de la capa de tierra para diseñar y enrutar toda la placa de circuito. Durante el diseño, preste atención a facilitar la conexión de la placa de circuito mediante puentes con una separación de menos de 1/2 pulgada o resistencias de 0 ohmios durante experimentos posteriores. Preste atención a la partición y el enrutamiento, asegurándose de que no haya líneas de señal digital ubicadas sobre la parte analógica en todas las capas, y que no haya líneas de señal analógica ubicadas sobre la parte digital. Además, ninguna línea de señal puede cruzar el espacio entre tierra o dividir el espacio entre las fuentes de alimentación. Para probar la función y el rendimiento EMC de la placa de circuito, conecte las dos tierras usando una resistencia o puente de 0 ohmios y vuelva a probar la función y el rendimiento EMC de la placa de circuito. Al comparar los resultados de las pruebas, se encontrará que en casi todos los casos, el enfoque unificado es superior al enfoque dividido en términos de función y rendimiento EMC.

# ¿Sigue siendo útil el método de dividir la tierra?
Este método se puede utilizar en las tres situaciones siguientes: algunos equipos médicos requieren una corriente de fuga baja entre los circuitos y sistemas conectados al paciente; la salida de algunos equipos de control de procesos industriales puede estar conectada a dispositivos electromecánicos con mucho ruido y alta potencia; otra situación es cuando el diseño de la PCB está sujeto a restricciones específicas.
Por lo general, hay fuentes de alimentación digitales y analógicas separadas en placas PCB de señal mixta, y puede y debe ser posible utilizar un plano de alimentación dividido. Sin embargo, las líneas de señal que están inmediatamente adyacentes al plano de energía no pueden cruzar el espacio entre las fuentes de alimentación, y todas las líneas de señal que cruzan este espacio deben ubicarse en la capa del circuito inmediatamente adyacente al plano de tierra grande. En algunos casos, diseñar la fuente de alimentación analógica con líneas de conexión de PCB en lugar de un solo plano puede evitar el problema de dividir el plano de alimentación.

El diseño de PCB de señal mixta es un proceso complejo y se deben tener en cuenta los siguientes puntos durante el proceso de diseño:

1. Divida la PCB en secciones analógicas y digitales separadas.
2. Disposición adecuada de los componentes.
3. Los convertidores A/D se colocan a lo largo de la partición.
4. No dividas el terreno. Coloque las partes analógicas y digitales de la placa de circuito uniformemente bajo tierra.
5. En todas las capas de la placa de circuito, las señales digitales sólo pueden enrutarse en la parte digital de la placa.
6. En todas las capas de la placa de circuito, las señales analógicas sólo pueden enrutarse en la parte analógica de la placa.
7. Implementar la división de fuentes de energía analógicas y digitales.
8. El cableado no puede cruzar el espacio entre las superficies divididas de la fuente de alimentación.
9. La línea de señal que debe cruzar el espacio entre las fuentes de alimentación divididas debe ubicarse en la capa de cableado inmediatamente adyacente a la tierra de área grande.
10. Analice la ruta real y el modo de la corriente que regresa al suelo.
11. Adopte las reglas de cableado correctas.