सार: मिश्रित-सिग्नल पीसीबी (मुद्रित सर्किट बोर्ड) सर्किट का डिज़ाइन जटिल है, जहां घटकों का लेआउट, रूटिंग और बिजली आपूर्ति और ग्राउंड लाइनों की हैंडलिंग सीधे सर्किट प्रदर्शन और विद्युत चुम्बकीय संगतता (ईएमसी) को प्रभावित करती है। यह पेपर जमीन और बिजली आपूर्ति के लिए एक ज़ोनिंग डिज़ाइन पेश करता है जो मिश्रित-सिग्नल सर्किट के प्रदर्शन को अनुकूलित कर सकता है।

हम डिजिटल और एनालॉग सिग्नल के बीच आपसी हस्तक्षेप को कैसे कम कर सकते हैं? डिज़ाइन से पहले, ईएमसी के दो मूलभूत सिद्धांतों को समझना महत्वपूर्ण है: पहला सिद्धांत वर्तमान लूप के क्षेत्र को जितना संभव हो उतना कम करना है; दूसरा सिद्धांत सिस्टम के लिए एकल संदर्भ विमान को नियोजित करना है। इसके विपरीत, यदि सिस्टम में दो संदर्भ विमान हैं, तो यह एक द्विध्रुवीय एंटीना बना सकता है (ध्यान दें: एक छोटे द्विध्रुवीय एंटीना का विकिरण तारों की लंबाई, उनके माध्यम से बहने वाली धारा की परिमाण और आवृत्ति के समानुपाती होता है)। इसके अतिरिक्त, यदि सिग्नल सबसे छोटे संभावित लूप के माध्यम से वापस नहीं लौट सकते हैं, तो एक बड़ा लूप एंटीना बनाया जा सकता है (ध्यान दें: एक छोटे लूप एंटीना का विकिरण लूप क्षेत्र, लूप के माध्यम से बहने वाली धारा की परिमाण और के वर्ग के समानुपाती होता है) आवृत्ति)। डिज़ाइन में जितना संभव हो सके दोनों परिदृश्यों से बचना चाहिए।

कुछ लोग उनके बीच अलगाव हासिल करने के लिए मिश्रित-सिग्नल बोर्डों पर डिजिटल और एनालॉग आधार को अलग करने का सुझाव देते हैं। हालाँकि यह दृष्टिकोण व्यवहार्य है, यह विशेष रूप से जटिल, बड़े पैमाने की प्रणालियों में कई संभावित मुद्दे पैदा करता है। सबसे महत्वपूर्ण मुद्दा विभाजित अंतरालों में तारों को रूट करने में असमर्थता है, क्योंकि ऐसा करने से विद्युत चुम्बकीय विकिरण और सिग्नल क्रॉसस्टॉक में नाटकीय रूप से वृद्धि हो सकती है। पीसीबी डिज़ाइन में आने वाली सबसे आम समस्या सिग्नल लाइनों के विभाजित मैदान या बिजली आपूर्ति को पार करने से उत्पन्न होने वाली ईएमआई समस्याएं हैं।

जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, हम उपरोक्त विभाजन विधि को अपनाते हैं, और जब सिग्नल लाइन दो आधारों के बीच के अंतर को फैलाती है, तो सिग्नल करंट के लिए रिटर्न पथ क्या होता है? यह मानते हुए कि दो खंडित मैदान कहीं जुड़े हुए हैं (आमतौर पर एक ही बिंदु पर), इस मामले में, ग्राउंड करंट एक बड़ा लूप बनाएगा। इस बड़े लूप के माध्यम से बहने वाली उच्च-आवृत्ति धाराएं विकिरण और उच्च भूमि प्रेरण उत्पन्न करती हैं। यदि निम्न-स्तरीय एनालॉग धाराएँ इस बड़े लूप से प्रवाहित होती हैं, तो वे बाहरी सिग्नल हस्तक्षेप के प्रति संवेदनशील होती हैं। सबसे खराब स्थिति तब होती है जब खंडित मैदान बिजली आपूर्ति से जुड़े होते हैं, जिससे एक बहुत बड़ा करंट लूप बनता है। इसके अतिरिक्त, एक लंबे तार के माध्यम से एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड को जोड़ने से एक द्विध्रुवीय एंटीना बनता है।

मिश्रित-सिग्नल पीसीबी डिज़ाइन को अनुकूलित करने के लिए वर्तमान के जमीन पर लौटने के पथ और तरीके को समझना महत्वपूर्ण है। कई डिज़ाइन इंजीनियर केवल इस बात पर विचार करते हैं कि सिग्नल धारा कहाँ प्रवाहित होती है, विशिष्ट धारा पथ की उपेक्षा करते हुए। यदि ग्राउंड प्लेन विभाजन आवश्यक है, और रूटिंग को खंडों के बीच के अंतर को पार करना होगा, तो पहले खंडित मैदानों के बीच एक एकल-बिंदु कनेक्शन स्थापित करें, उनके बीच एक पुल बनाएं, और फिर इस पुल के माध्यम से रूट करें। यह प्रत्येक सिग्नल लाइन के नीचे एक प्रत्यक्ष धारा वापसी पथ सुनिश्चित करता है, जिससे लूप क्षेत्र न्यूनतम हो जाता है।

सिग्नलों को खंडित अंतरालों को पार करने में सक्षम बनाने के लिए ऑप्टिकल आइसोलेटर्स या ट्रांसफार्मर का भी उपयोग किया जा सकता है। पहले मामले में, ऑप्टिकल सिग्नल अंतराल को पार करते हैं; उत्तरार्द्ध में, चुंबकीय क्षेत्र करते हैं। एक अन्य व्यवहार्य विकल्प विभेदक सिग्नल का उपयोग करना है, जहां सिग्नल एक लाइन में प्रवाहित होता है और दूसरे के माध्यम से लौटता है, जिससे वापसी पथ के रूप में जमीन की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

एनालॉग सिग्नलों पर डिजिटल सिग्नलों के हस्तक्षेप की गहराई से जांच करने के लिए, उच्च-आवृत्ति धाराओं की प्रकृति को समझना आवश्यक है। उच्च-आवृत्ति धाराएं हमेशा सिग्नल के ठीक नीचे सबसे कम प्रतिबाधा (न्यूनतम अधिष्ठापन) का मार्ग चुनती हैं, इसलिए रिटर्न धाराएं आसन्न सर्किट परतों के माध्यम से प्रवाहित होती हैं, चाहे वे बिजली या जमीन के विमान हों।

व्यवहार में, एकीकृत ग्राउंड का उपयोग करना और पीसीबी को एनालॉग और डिजिटल अनुभागों में विभाजित करना आम बात है। एनालॉग सिग्नल सभी पीसीबी परतों पर एनालॉग क्षेत्र के भीतर रूट किए जाते हैं, जबकि डिजिटल सिग्नल डिजिटल क्षेत्र के भीतर रूट किए जाते हैं। यह डिजिटल रिटर्न धाराओं को एनालॉग ग्राउंड में बहने से रोकता है।

डिजिटल सिग्नल से एनालॉग सिग्नल में हस्तक्षेप तभी उत्पन्न होता है जब डिजिटल सिग्नल को एनालॉग सेक्शन पर रूट किया जाता है या इसके विपरीत। मूल कारण जमीनी विभाजन नहीं बल्कि डिजिटल सिग्नलों का अनुचित रूटिंग है।

पीसीबी डिज़ाइन में एकीकृत ग्राउंड को अपनाना, डिजिटल और एनालॉग सर्किट को विभाजित करना, और उचित सिग्नल रूटिंग अक्सर ग्राउंड सेगमेंटेशन से संभावित मुद्दों को पेश किए बिना जटिल लेआउट और रूटिंग चुनौतियों का समाधान करते हैं। इस मामले में, घटक प्लेसमेंट और विभाजन डिज़ाइन गुणवत्ता के लिए महत्वपूर्ण हो जाते हैं। उचित लेआउट और रूटिंग के साथ, डिजिटल ग्राउंड धाराएं डिजिटल सेक्शन तक ही सीमित रहती हैं, जिससे एनालॉग सिग्नल के साथ हस्तक्षेप से बचा जा सकता है। ऐसी रूटिंग के लिए रूटिंग नियमों का 100% अनुपालन सुनिश्चित करने के लिए सावधानीपूर्वक निरीक्षण और सत्यापन की आवश्यकता होती है। अन्यथा, एक भी गलत मार्ग वाली सिग्नल लाइन एक उत्कृष्ट पीसीबी को बर्बाद कर सकती है।

ए/डी कनवर्टर के एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड पिन को कनेक्ट करते समय, अधिकांश निर्माता एजीएनडी और डीजीएनडी पिन को सबसे छोटे लीड के साथ एकल कम-प्रतिबाधा ग्राउंड से जोड़ने की सलाह देते हैं (नोट: अधिकांश ए/डी कनवर्टर चिप्स आंतरिक रूप से एनालॉग से कनेक्ट नहीं होते हैं और डिजिटल आधार, बाहरी पिन कनेक्शन की आवश्यकता)। डीजीएनडी से जुड़ा कोई भी बाहरी प्रतिबाधा परजीवी कैपेसिटेंस के माध्यम से आईसी के आंतरिक एनालॉग सर्किटरी में अधिक डिजिटल शोर जोड़ सकता है। इस अनुशंसा के बाद, ए/डी कनवर्टर के एजीएनडी और डीजीएनडी दोनों पिनों को एनालॉग ग्राउंड से जोड़ा जाना चाहिए, लेकिन इससे यह सवाल उठता है कि डिजिटल सिग्नल के लिए डिकॉउलिंग कैपेसिटर को एनालॉग या डिजिटल ग्राउंड पर कहां ग्राउंड किया जाए।

यदि सिस्टम में केवल एक ए/डी कनवर्टर है, तो समाधान सीधा है। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, जमीन को विभाजित करें और ए/डी कनवर्टर के नीचे एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड सेक्शन को कनेक्ट करें। ऐसा करते समय, सुनिश्चित करें कि दोनों मैदानों को जोड़ने वाला पुल आईसी जितना चौड़ा हो, और कोई सिग्नल लाइनें अंतराल को पार न करें।

यदि सिस्टम में कई ए/डी कनवर्टर हैं, जैसे कि 10 ए/डी कनवर्टर, तो उन्हें कैसे कनेक्ट करें? यदि एनालॉग ग्राउंड और डिजिटल ग्राउंड प्रत्येक ए/डी कनवर्टर के तहत एक साथ जुड़े हुए हैं, तो इसके परिणामस्वरूप कनेक्शन के कई बिंदु होंगे, और एनालॉग ग्राउंड और डिजिटल ग्राउंड के बीच अलगाव अर्थहीन होगा। यदि इस तरह से कनेक्ट नहीं किया गया, तो यह निर्माता की आवश्यकताओं का उल्लंघन करेगा।
सबसे अच्छा तरीका शुरुआत में एकीकृत मैदान का उपयोग करना है। जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, एकीकृत जमीन को एक एनालॉग भाग और एक डिजिटल भाग में विभाजित किया गया है। यह लेआउट और वायरिंग न केवल एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड पिन के बीच कम-प्रतिबाधा कनेक्शन के लिए आईसी डिवाइस निर्माताओं की आवश्यकताओं को पूरा करती है, बल्कि लूप एंटेना या डीपोल एंटेना भी नहीं बनाती है जो ईएमसी समस्याएं पैदा कर सकती हैं।

यदि आपको मिश्रित-सिग्नल पीसीबी डिज़ाइन के लिए एकीकृत दृष्टिकोण का उपयोग करने के बारे में संदेह है, तो आप पूरे सर्किट बोर्ड को बिछाने और रूट करने के लिए ग्राउंड लेयर सेगमेंटेशन विधि का उपयोग कर सकते हैं। डिज़ाइन के दौरान, बाद के प्रयोगों के दौरान 1/2 इंच या 0 ओम प्रतिरोधों से कम दूरी वाले जंपर्स का उपयोग करके सर्किट बोर्ड को एक साथ जोड़ना आसान बनाने पर ध्यान दें। विभाजन और रूटिंग पर ध्यान दें, यह सुनिश्चित करते हुए कि कोई भी डिजिटल सिग्नल लाइनें सभी परतों पर एनालॉग भाग के ऊपर स्थित नहीं हैं, और कोई भी एनालॉग सिग्नल लाइनें डिजिटल भाग के ऊपर स्थित नहीं हैं। इसके अलावा, कोई भी सिग्नल लाइन जमीन के अंतर को पार नहीं कर सकती या बिजली आपूर्ति के बीच के अंतर को विभाजित नहीं कर सकती। सर्किट बोर्ड के फ़ंक्शन और ईएमसी प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए, 0 ओम अवरोधक या जम्पर का उपयोग करके दोनों ग्राउंड को एक साथ कनेक्ट करें, और सर्किट बोर्ड के फ़ंक्शन और ईएमसी प्रदर्शन का पुनः परीक्षण करें। परीक्षण परिणामों की तुलना करने पर, यह पाया जाएगा कि लगभग सभी मामलों में, एकीकृत दृष्टिकोण कार्य और ईएमसी प्रदर्शन के मामले में विभाजित दृष्टिकोण से बेहतर है।

#क्या ज़मीन के बंटवारे का तरीक़ा अब भी उपयोगी है?
इस विधि का उपयोग निम्नलिखित तीन स्थितियों में किया जा सकता है: कुछ चिकित्सा उपकरणों को रोगी से जुड़े सर्किट और सिस्टम के बीच कम रिसाव धारा की आवश्यकता होती है; कुछ औद्योगिक प्रक्रिया नियंत्रण उपकरणों के आउटपुट को उच्च शोर और उच्च शक्ति वाले इलेक्ट्रोमैकेनिकल उपकरणों से जोड़ा जा सकता है; दूसरी स्थिति तब होती है जब पीसीबी का लेआउट विशिष्ट प्रतिबंधों के अधीन होता है।
मिश्रित-सिग्नल पीसीबी बोर्डों पर आमतौर पर अलग-अलग डिजिटल और एनालॉग बिजली की आपूर्ति होती है, और स्प्लिट पावर प्लेन का उपयोग करना संभव हो सकता है और होना भी चाहिए। हालाँकि, सिग्नल लाइनें जो बिजली विमान के ठीक निकट हैं, बिजली आपूर्ति के बीच के अंतर को पार नहीं कर सकती हैं, और इस अंतर को पार करने वाली सभी सिग्नल लाइनें बड़े ग्राउंड प्लेन के ठीक निकट सर्किट परत पर स्थित होनी चाहिए। कुछ मामलों में, एकल विमान के बजाय पीसीबी कनेक्टिंग लाइनों के साथ एनालॉग बिजली आपूर्ति को डिजाइन करने से पावर विमान को विभाजित करने की समस्या से बचा जा सकता है।

मिश्रित-सिग्नल पीसीबी डिज़ाइन एक जटिल प्रक्रिया है, और डिज़ाइन प्रक्रिया के दौरान निम्नलिखित बिंदुओं पर ध्यान दिया जाना चाहिए:

1. पीसीबी को अलग-अलग एनालॉग और डिजिटल अनुभागों में विभाजित करें।
2. घटकों का उचित लेआउट.
3. ए/डी कनवर्टर्स को विभाजन के पार रखा गया है।
4. जमीन का बंटवारा मत करो. सर्किट बोर्ड के एनालॉग और डिजिटल भागों को जमीन के नीचे समान रूप से बिछाएं।
5. सर्किट बोर्ड की सभी परतों में, डिजिटल सिग्नल केवल बोर्ड के डिजिटल हिस्से में ही रूट किए जा सकते हैं।
6. सर्किट बोर्ड की सभी परतों में, एनालॉग सिग्नल केवल बोर्ड के एनालॉग हिस्से में ही रूट किए जा सकते हैं।
7. एनालॉग और डिजिटल बिजली स्रोतों के विभाजन को लागू करें।
8. वायरिंग विभाजित बिजली आपूर्ति सतहों के बीच के अंतर को पार नहीं कर सकती।
9. सिग्नल लाइन जिसे विभाजित बिजली आपूर्ति के बीच के अंतर को पार करना चाहिए, उसे बड़े क्षेत्र की जमीन के ठीक बगल में वायरिंग परत पर स्थित होना चाहिए।
10. जमीन पर वापस प्रवाहित होने वाली धारा के वास्तविक पथ और मोड का विश्लेषण करें।
11. सही वायरिंग नियम अपनाएं.