Abstrak: Desain sirkuit PCB (Printed Circuit Board) sinyal campuran rumit, di mana tata letak komponen, perutean, dan penanganan catu daya dan saluran ground berdampak langsung pada kinerja sirkuit dan kompatibilitas elektromagnetik (EMC). Makalah ini memperkenalkan desain zonasi untuk ground dan catu daya yang dapat mengoptimalkan kinerja sirkuit sinyal campuran.

Bagaimana kita dapat mengurangi interferensi timbal balik antara sinyal digital dan analog? Sebelum merancang, penting untuk memahami dua prinsip dasar EMC: prinsip pertama adalah meminimalkan area loop arus sebanyak mungkin; prinsip kedua adalah menggunakan bidang referensi tunggal untuk sistem. Sebaliknya, jika sistem memiliki dua bidang referensi, maka dapat membentuk antena dipol (catatan: radiasi antena dipol kecil sebanding dengan panjang kabel, besarnya arus yang mengalir melaluinya, dan frekuensi). Selain itu, jika sinyal tidak dapat kembali melalui loop sekecil mungkin, antena loop besar dapat dibentuk (catatan: radiasi antena loop kecil sebanding dengan luas loop, besarnya arus yang mengalir melalui loop, dan kuadrat dari loop). frekuensi). Kedua skenario tersebut harus dihindari sebisa mungkin dalam desain.

Beberapa menyarankan untuk memisahkan landasan digital dan analog pada papan sinyal campuran untuk mencapai isolasi di antara keduanya. Meskipun pendekatan ini dapat dilakukan, pendekatan ini menimbulkan banyak potensi masalah, khususnya dalam sistem yang kompleks dan berskala besar. Masalah yang paling kritis adalah ketidakmampuan untuk mengarahkan kabel melintasi celah yang terbelah, karena hal ini dapat meningkatkan radiasi elektromagnetik dan crosstalk sinyal secara signifikan. Masalah paling umum yang dihadapi dalam desain PCB adalah masalah EMI yang timbul dari garis sinyal yang melintasi tanah atau catu daya yang terpisah.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, kita mengadopsi metode segmentasi yang disebutkan di atas, dan ketika garis sinyal melintasi celah antara dua ground, apa jalur balik arus sinyal? Dengan asumsi dua ground yang tersegmentasi terhubung di suatu tempat (biasanya pada satu titik), dalam hal ini arus ground akan membentuk loop besar. Arus frekuensi tinggi yang mengalir melalui loop besar ini menghasilkan radiasi dan induktansi tanah yang tinggi. Jika arus analog tingkat rendah mengalir melalui loop besar ini, maka rentan terhadap gangguan sinyal eksternal. Skenario terburuknya adalah ketika ground yang tersegmentasi dihubungkan pada catu daya, membentuk loop arus yang sangat besar. Selain itu, menghubungkan ground analog dan digital melalui kabel panjang akan menghasilkan antena dipol.

Memahami jalur dan cara arus kembali ke tanah sangat penting untuk mengoptimalkan desain PCB sinyal campuran. Banyak insinyur desain hanya mempertimbangkan ke mana arus sinyal mengalir, mengabaikan jalur arus spesifik. Jika segmentasi bidang tanah diperlukan, dan perutean harus melintasi celah antar segmen, pertama-tama buatlah sambungan satu titik antara permukaan yang tersegmentasi, membentuk jembatan di antara keduanya, dan kemudian rutekan melalui jembatan ini. Hal ini memastikan jalur balik arus searah di bawah setiap garis sinyal, meminimalkan area loop.

Isolator atau transformator optik juga dapat digunakan untuk memungkinkan sinyal melintasi celah yang tersegmentasi. Dalam kasus sebelumnya, sinyal optik melintasi celah tersebut; yang terakhir, medan magnet berperan. Pilihan lain yang layak adalah menggunakan sinyal diferensial, di mana sinyal mengalir ke satu saluran dan kembali melalui saluran lain, sehingga menghilangkan kebutuhan akan ground sebagai jalur kembali.

Untuk menyelidiki interferensi sinyal digital pada sinyal analog, penting untuk memahami sifat arus frekuensi tinggi. Arus frekuensi tinggi selalu memilih jalur dengan impedansi terkecil (induktansi terendah), tepat di bawah sinyal, sehingga arus balik mengalir melalui lapisan sirkuit yang berdekatan, baik itu bidang daya atau ground.

Dalam praktiknya, biasanya menggunakan ground terpadu dan mempartisi PCB menjadi bagian analog dan digital. Sinyal analog dirutekan dalam area analog pada semua lapisan PCB, sedangkan sinyal digital dirutekan dalam area digital. Hal ini mencegah arus balik digital mengalir ke ground analog.

Interferensi dari sinyal digital ke sinyal analog hanya muncul ketika sinyal digital dirutekan melalui bagian analog atau sebaliknya. Penyebab utamanya bukanlah segmentasi tanah, melainkan routing sinyal digital yang tidak tepat.

Mengadopsi landasan terpadu dalam desain PCB, mempartisi sirkuit digital dan analog, dan perutean sinyal yang tepat sering kali menyelesaikan tantangan tata letak dan perutean yang rumit tanpa menimbulkan potensi masalah dari segmentasi tanah. Dalam hal ini, penempatan dan partisi komponen menjadi sangat penting untuk kualitas desain. Dengan tata letak dan perutean yang tepat, arus ground digital dibatasi pada bagian digital, menghindari interferensi dengan sinyal analog. Perutean seperti itu memerlukan pemeriksaan dan verifikasi yang cermat untuk memastikan 100% kepatuhan terhadap aturan perutean. Jika tidak, satu jalur sinyal yang salah rute dapat merusak PCB yang sangat bagus.

Saat menghubungkan pin ground analog dan digital dari konverter A/D, sebagian besar produsen menyarankan untuk menghubungkan pin AGND dan DGND dengan kabel terpendek ke satu ground impedansi rendah (catatan: sebagian besar chip konverter A/D tidak menghubungkan analog dan digital secara internal). ground digital, memerlukan koneksi pin eksternal). Setiap impedansi eksternal yang terhubung ke DGND dapat memasangkan lebih banyak gangguan digital ke dalam sirkuit analog internal IC melalui kapasitansi parasit. Mengikuti rekomendasi ini, kedua pin AGND dan DGND dari konverter A/D harus dihubungkan ke ground analog, namun hal ini menimbulkan pertanyaan tentang di mana harus menghubungkan kapasitor decoupling untuk sinyal digital—ke ground analog atau digital.

Jika sistem hanya memiliki satu konverter A/D, solusinya mudah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, pisahkan ground dan sambungkan bagian ground analog dan digital di bawah konverter A/D. Saat melakukannya, pastikan jembatan yang menghubungkan kedua ground selebar IC, dan tidak ada jalur sinyal yang melintasi celah tersebut.

Jika ada banyak konverter A/D dalam sistem, misalnya 10 konverter A/D, bagaimana cara menghubungkannya? Jika ground analog dan ground digital dihubungkan bersama di bawah setiap konverter A/D, hal ini akan menghasilkan banyak titik koneksi, dan isolasi antara ground analog dan ground digital tidak akan ada artinya. Jika tidak dihubungkan dengan cara ini, maka akan melanggar persyaratan pabrikan.
Cara terbaik adalah dengan menggunakan landasan terpadu di awal. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, landasan terpadu dibagi menjadi bagian analog dan bagian digital. Tata letak dan pengkabelan ini tidak hanya memenuhi persyaratan produsen perangkat IC untuk koneksi impedansi rendah antara pin ground analog dan digital, tetapi juga tidak membuat antena loop atau antena dipol yang dapat menyebabkan masalah EMC.

Jika Anda ragu dalam menggunakan pendekatan terpadu untuk desain PCB sinyal campuran, Anda dapat menggunakan metode segmentasi lapisan tanah untuk menata dan merutekan seluruh papan sirkuit. Selama desain, perhatikan untuk memudahkan papan sirkuit dihubungkan bersama menggunakan jumper dengan jarak resistor kurang dari 1/2 inci atau 0 ohm pada percobaan selanjutnya. Perhatikan partisi dan perutean, pastikan tidak ada jalur sinyal digital yang terletak di atas bagian analog di semua lapisan, dan tidak ada jalur sinyal analog yang terletak di atas bagian digital. Selain itu, tidak ada garis sinyal yang dapat melintasi celah tanah atau membagi celah antar pasokan listrik. Untuk menguji fungsi dan kinerja EMC papan sirkuit, sambungkan kedua ground menggunakan resistor atau jumper 0 ohm, dan uji ulang fungsi dan kinerja EMC papan sirkuit. Membandingkan hasil pengujian, akan ditemukan bahwa di hampir semua kasus, pendekatan terpadu lebih unggul daripada pendekatan terbagi dalam hal fungsi dan kinerja EMC.

#Apakah cara membagi tanah masih bermanfaat?
Metode ini dapat digunakan dalam tiga situasi berikut: beberapa peralatan medis memerlukan arus bocor yang rendah antara sirkuit dan sistem yang terhubung ke pasien; keluaran dari beberapa peralatan kendali proses industri mungkin dihubungkan ke perangkat elektromekanis dengan kebisingan tinggi dan daya tinggi; situasi lainnya adalah ketika tata letak PCB tunduk pada batasan tertentu.
Biasanya terdapat catu daya digital dan analog terpisah pada papan PCB sinyal campuran, dan bidang daya terpisah dapat dan harus dimungkinkan. Namun, jalur sinyal yang berbatasan langsung dengan bidang daya tidak dapat melewati celah antara catu daya, dan semua jalur sinyal yang melintasi celah ini harus ditempatkan pada lapisan sirkuit yang berbatasan langsung dengan bidang tanah besar. Dalam beberapa kasus, merancang catu daya analog dengan jalur penghubung PCB daripada satu bidang dapat menghindari masalah pemisahan bidang daya.

Desain PCB sinyal campuran adalah proses yang kompleks, dan hal-hal berikut harus diperhatikan selama proses desain:

1. Bagilah PCB menjadi bagian analog dan digital terpisah.
2. Tata letak komponen yang tepat.
3. Konverter A/D ditempatkan di seluruh partisi.
4. Jangan membagi tanah. Letakkan bagian analog dan digital papan sirkuit secara merata di bawah tanah.
5. Di semua lapisan papan sirkuit, sinyal digital hanya dapat dirutekan di bagian digital papan.
6. Di semua lapisan papan sirkuit, sinyal analog hanya dapat dirutekan di bagian analog papan.
7. Menerapkan pembagian sumber daya analog dan digital.
8. Pengkabelan tidak dapat melewati celah antara permukaan catu daya yang terbagi.
9. Garis sinyal yang harus melewati celah antara catu daya terpisah harus ditempatkan pada lapisan kabel yang berbatasan langsung dengan area ground yang luas.
10. Analisis jalur sebenarnya dan modus arus yang mengalir kembali ke tanah.
11. Terapkan aturan pengkabelan yang benar.