Riassunto: La progettazione di circuiti PCB (circuiti stampati) a segnale misto è complessa, in cui la disposizione dei componenti, l'instradamento e la gestione degli alimentatori e delle linee di terra influiscono direttamente sulle prestazioni del circuito e sulla compatibilità elettromagnetica (EMC). Questo documento introduce un progetto di zonizzazione per la terra e gli alimentatori in grado di ottimizzare le prestazioni dei circuiti a segnale misto.

Come possiamo ridurre l'interferenza reciproca tra segnali digitali e analogici? Prima della progettazione, è fondamentale comprendere due principi fondamentali della EMC: il primo principio è ridurre al minimo l'area dei circuiti di corrente; il secondo principio è quello di utilizzare un unico piano di riferimento per il sistema. Al contrario, se il sistema ha due piani di riferimento, può formare un'antenna a dipolo (nota: la radiazione di una piccola antenna a dipolo è proporzionale alla lunghezza dei fili, all'entità della corrente che li attraversa e alla frequenza). Inoltre, se i segnali non possono ritornare attraverso le spire più piccole possibili, si può formare un'antenna a spira grande (nota: la radiazione di un'antenna a spira piccola è proporzionale all'area della spira, all'entità della corrente che scorre attraverso la spira e al quadrato della spira). la frequenza). Entrambi gli scenari dovrebbero essere evitati il ​​più possibile nella progettazione.

Alcuni suggeriscono di separare le masse digitali e analogiche sulle schede a segnale misto per ottenere l'isolamento tra di loro. Sebbene questo approccio sia fattibile, pone numerosi potenziali problemi, in particolare in sistemi complessi e su larga scala. Il problema più critico è l’impossibilità di instradare i cavi attraverso gli split gap, poiché ciò può aumentare notevolmente la radiazione elettromagnetica e la diafonia del segnale. Il problema più comune riscontrato nella progettazione PCB sono i problemi EMI derivanti dalle linee di segnale che attraversano masse separate o alimentatori.

Come mostrato nella Figura 1, adottiamo il suddetto metodo di segmentazione e, quando la linea del segnale attraversa lo spazio tra due masse, qual è il percorso di ritorno della corrente del segnale? Supponendo che i due terreni segmentati siano collegati da qualche parte (solitamente in un unico punto), in questo caso la corrente di terra formerà un ampio anello. Le correnti ad alta frequenza che fluiscono attraverso questo ampio circuito generano radiazioni e un'elevata induttanza di terra. Se le correnti analogiche di basso livello fluiscono attraverso questo ampio circuito, sono suscettibili alle interferenze del segnale esterno. Lo scenario peggiore si verifica quando le masse segmentate sono collegate all'alimentazione, formando un circuito di corrente estremamente grande. Inoltre, collegando la massa analogica e digitale tramite un lungo filo si crea un'antenna a dipolo.

Comprendere il percorso e il modo in cui la corrente ritorna a terra è fondamentale per ottimizzare la progettazione di PCB a segnale misto. Molti progettisti considerano esclusivamente il percorso della corrente del segnale, trascurando il percorso specifico della corrente. Se è necessaria la segmentazione del piano di terra e il percorso deve attraversare lo spazio tra i segmenti, stabilire prima una connessione a punto singolo tra i terreni segmentati, formando un ponte tra di loro, quindi instradare attraverso questo ponte. Ciò garantisce un percorso di ritorno della corrente continua sotto ciascuna linea di segnale, riducendo al minimo l'area del circuito.

È inoltre possibile utilizzare isolatori ottici o trasformatori per consentire ai segnali di attraversare spazi segmentati. Nel primo caso, i segnali ottici attraversano il varco; in quest'ultimo caso lo fanno i campi magnetici. Un'altra opzione praticabile è l'utilizzo di segnali differenziali, in cui il segnale fluisce in una linea e ritorna attraverso un'altra, eliminando la necessità di una terra come percorso di ritorno.

Per approfondire l'interferenza dei segnali digitali sui segnali analogici, è essenziale comprendere la natura delle correnti ad alta frequenza. Le correnti ad alta frequenza scelgono sempre il percorso di minore impedenza (induttanza più bassa), direttamente sotto il segnale, quindi le correnti di ritorno fluiscono attraverso gli strati circuitali adiacenti, siano essi piani di alimentazione o di massa.

In pratica, è prassi comune utilizzare una terra unificata e suddividere il PCB in sezioni analogiche e digitali. I segnali analogici vengono instradati all'interno dell'area analogica su tutti gli strati PCB, mentre i segnali digitali vengono instradati all'interno dell'area digitale. Ciò impedisce alle correnti di ritorno digitali di fluire nella massa analogica.

L'interferenza dai segnali digitali ai segnali analogici si verifica solo quando i segnali digitali vengono instradati sulla sezione analogica o viceversa. La causa principale non è la segmentazione del terreno ma l'instradamento improprio dei segnali digitali.

L'adozione di una terra unificata nella progettazione PCB, la partizione dei circuiti digitali e analogici e l'instradamento appropriato del segnale spesso risolvono sfide complesse di layout e instradamento senza introdurre potenziali problemi derivanti dalla segmentazione della terra. In questo caso, il posizionamento e la suddivisione dei componenti diventano fondamentali per la qualità del progetto. Con un layout e un instradamento corretti, le correnti di terra digitali sono confinate alla sezione digitale, evitando interferenze con i segnali analogici. Tale instradamento richiede ispezioni e verifiche meticolose per garantire il 100% di conformità alle regole di instradamento. Altrimenti, una singola linea di segnale mal indirizzata può rovinare un PCB altrimenti eccellente.

Quando si collegano i pin di terra analogici e digitali di un convertitore A/D, la maggior parte dei produttori consiglia di collegare i pin AGND e DGND con i conduttori più corti a un'unica terra a bassa impedenza (nota: la maggior parte dei chip dei convertitori A/D non collegano internamente i pin analogici e digitali masse digitali, che richiedono connessioni pin esterne). Qualsiasi impedenza esterna collegata al DGND può accoppiare più rumore digitale nel circuito analogico interno dell'IC attraverso la capacità parassita. Seguendo questa raccomandazione, sia i pin AGND che DGND del convertitore A/D dovrebbero essere collegati alla terra analogica, ma ciò solleva dubbi su dove mettere a terra i condensatori di disaccoppiamento per i segnali digitali: a terra analogica o digitale.

Se il sistema ha un solo convertitore A/D, la soluzione è semplice. Come mostrato nella Figura 3, dividere la terra e collegare le sezioni di terra analogica e digitale sotto il convertitore A/D. Nel farlo, assicurati che il ponte che collega le due masse sia largo quanto l'IC e che nessuna linea di segnale attraversi lo spazio.

Se nel sistema sono presenti molti convertitori A/D, ad esempio 10 convertitori A/D, come collegarli? Se la terra analogica e la terra digitale sono collegate insieme sotto ciascun convertitore A/D, si creeranno più punti di connessione e l'isolamento tra la terra analogica e la terra digitale sarà privo di significato. Se non collegato in questo modo, violerà i requisiti del produttore.
Il modo migliore è utilizzare una base unificata all'inizio. Come mostrato nella Figura 4, la terra unificata è divisa in una parte analogica e una parte digitale. Questo layout e cablaggio non solo soddisfano i requisiti dei produttori di dispositivi IC per connessioni a bassa impedenza tra pin di terra analogici e digitali, ma non creano nemmeno antenne a loop o antenne a dipolo che possono causare problemi EMC.

Se hai dubbi sull'utilizzo di un approccio unificato per la progettazione PCB a segnale misto, puoi utilizzare il metodo di segmentazione dello strato di terra per disporre e instradare l'intero circuito stampato. Durante la progettazione, prestare attenzione a rendere più semplice il collegamento del circuito stampato utilizzando ponticelli con una spaziatura inferiore a 1/2 pollice o resistori da 0 ohm durante gli esperimenti successivi. Prestare attenzione al partizionamento e all'instradamento, assicurandosi che nessuna linea di segnale digitale sia posizionata sopra la parte analogica su tutti i livelli e che nessuna linea di segnale analogico sia posizionata sopra la parte digitale. Inoltre, nessuna linea di segnale può attraversare il divario di terra o dividere il divario tra gli alimentatori. Per testare il funzionamento e le prestazioni EMC della scheda a circuiti, collegare insieme le due masse utilizzando un resistore o un ponticello da 0 ohm e testare nuovamente il funzionamento e le prestazioni EMC della scheda a circuiti. Confrontando i risultati dei test, si scoprirà che in quasi tutti i casi l'approccio unificato è superiore all'approccio diviso in termini di funzionalità e prestazioni EMC.

#È ancora utile il metodo della divisione dei terreni?
Questo metodo può essere utilizzato nelle tre situazioni seguenti: alcune apparecchiature mediche richiedono una bassa corrente di dispersione tra i circuiti e i sistemi collegati al paziente; l'uscita di alcune apparecchiature di controllo dei processi industriali può essere collegata a dispositivi elettromeccanici ad alto rumore e ad alta potenza; un'altra situazione è quando il layout del PCB è soggetto a restrizioni specifiche.
Di solito ci sono alimentatori digitali e analogici separati sulle schede PCB a segnale misto e può e dovrebbe essere possibile utilizzare un piano di alimentazione diviso. Tuttavia, le linee di segnale immediatamente adiacenti al piano di potenza non possono attraversare lo spazio tra gli alimentatori e tutte le linee di segnale che attraversano questo spazio devono essere posizionate sullo strato di circuito immediatamente adiacente al grande piano di terra. In alcuni casi, progettare l'alimentatore analogico con linee di collegamento PCB anziché con un unico piano può evitare il problema della suddivisione del piano di alimentazione.

La progettazione di PCB a segnale misto è un processo complesso e durante il processo di progettazione è necessario tenere presente i seguenti punti:

1. Dividere il PCB in sezioni analogiche e digitali separate.
2. Disposizione corretta dei componenti.
3. I convertitori A/D sono posizionati attraverso la partizione.
4. Non dividere il terreno. Disporre uniformemente le parti analogiche e digitali del circuito sotto terra.
5. In tutti gli strati della scheda i segnali digitali possono essere instradati solo nella parte digitale della scheda.
6. In tutti gli strati della scheda i segnali analogici possono essere instradati solo nella parte analogica della scheda.
7. Implementare la divisione delle fonti di alimentazione analogiche e digitali.
8. Il cablaggio non può superare lo spazio tra le superfici di alimentazione divise.
9. La linea del segnale che deve attraversare lo spazio tra gli alimentatori suddivisi deve essere posizionata sullo strato di cablaggio immediatamente adiacente alla terra di ampia area.
10. Analizzare il percorso e la modalità effettivi della corrente che ritorna al suolo.
11. Adottare le corrette regole di cablaggio.