Abstrak: Reka bentuk litar PCB isyarat campuran (Papan Litar Bercetak) adalah rumit, di mana susun atur komponen, penghalaan, dan pengendalian bekalan kuasa dan talian tanah secara langsung memberi kesan kepada prestasi litar dan keserasian elektromagnet (EMC). Kertas kerja ini memperkenalkan reka bentuk pengezonan untuk bekalan tanah dan kuasa yang boleh mengoptimumkan prestasi litar isyarat bercampur.

Bagaimanakah kita boleh mengurangkan gangguan bersama antara isyarat digital dan analog? Sebelum mereka bentuk, adalah penting untuk memahami dua prinsip asas EMC: prinsip pertama adalah untuk meminimumkan kawasan gelung semasa sebanyak mungkin; prinsip kedua ialah menggunakan satah rujukan tunggal untuk sistem. Sebaliknya, jika sistem mempunyai dua satah rujukan, ia mungkin membentuk antena dipol (nota: sinaran antena dipol kecil adalah berkadar dengan panjang wayar, magnitud arus yang mengalir melaluinya, dan kekerapan). Selain itu, jika isyarat tidak dapat kembali melalui gelung terkecil yang mungkin, antena gelung besar boleh dibentuk (nota: sinaran antena gelung kecil adalah berkadar dengan luas gelung, magnitud arus yang mengalir melalui gelung, dan kuasa dua kekerapan). Kedua-dua senario harus dielakkan sebanyak mungkin dalam reka bentuk.

Sesetengah mencadangkan mengasingkan alasan digital dan analog pada papan isyarat bercampur untuk mencapai pengasingan di antara mereka. Walaupun pendekatan ini boleh dilaksanakan, ia menimbulkan banyak isu yang berpotensi, terutamanya dalam sistem berskala besar yang kompleks. Isu yang paling kritikal ialah ketidakupayaan untuk menghalakan wayar merentasi jurang pemisah, kerana berbuat demikian boleh meningkatkan sinaran elektromagnet dan crosstalk isyarat secara mendadak. Masalah yang paling biasa dihadapi dalam reka bentuk PCB ialah isu EMI yang timbul daripada garis isyarat yang melintasi kawasan berpecah atau bekalan kuasa.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, kami menggunakan kaedah segmentasi yang disebutkan di atas, dan apabila garis isyarat menjangkau jurang antara dua alasan, apakah laluan pulangan untuk arus isyarat? Dengan mengandaikan dua alasan bersegmen disambungkan di suatu tempat (biasanya pada satu titik), dalam kes ini, arus tanah akan membentuk gelung besar. Arus frekuensi tinggi yang mengalir melalui gelung besar ini menghasilkan sinaran dan kearuhan tanah yang tinggi. Jika arus analog peringkat rendah mengalir melalui gelung besar ini, ia mudah terdedah kepada gangguan isyarat luaran. Senario terburuk ialah apabila alasan yang bersegmen disambungkan pada bekalan kuasa, membentuk gelung arus yang sangat besar. Selain itu, menyambungkan asas analog dan digital melalui wayar panjang menghasilkan antena dipol.

Memahami laluan dan cara arus kembali ke tanah adalah penting untuk mengoptimumkan reka bentuk PCB isyarat campuran. Ramai jurutera reka bentuk semata-mata mempertimbangkan ke mana arus isyarat mengalir, mengabaikan laluan semasa tertentu. Jika pembahagian satah tanah diperlukan, dan penghalaan mesti merentasi jurang antara segmen, mula-mula wujudkan sambungan satu titik antara tapak yang disegmen, membentuk jambatan di antara mereka, dan kemudian melalui jambatan ini. Ini memastikan laluan balik arus terus di bawah setiap garis isyarat, meminimumkan kawasan gelung.

Pengasing atau pengubah optik juga boleh digunakan untuk membolehkan isyarat merentasi celah bersegmen. Dalam kes terdahulu, isyarat optik merentasi jurang; dalam yang terakhir, medan magnet lakukan. Pilihan lain yang berdaya maju ialah menggunakan isyarat pembezaan, di mana isyarat mengalir ke satu baris dan kembali melalui yang lain, menghapuskan keperluan untuk tanah sebagai laluan kembali.

Untuk mendalami gangguan isyarat digital pada isyarat analog, adalah penting untuk memahami sifat arus frekuensi tinggi. Arus frekuensi tinggi sentiasa memilih laluan impedans paling rendah (kearuhan terendah), terus di bawah isyarat, oleh itu arus balik mengalir melalui lapisan litar bersebelahan, sama ada satah kuasa atau tanah.

Dalam amalan, adalah perkara biasa untuk menggunakan tanah bersatu dan membahagikan PCB ke bahagian analog dan digital. Isyarat analog disalurkan dalam kawasan analog pada semua lapisan PCB, manakala isyarat digital disalurkan dalam kawasan digital. Ini menghalang arus pulangan digital daripada mengalir ke tanah analog.

Gangguan daripada isyarat digital kepada isyarat analog timbul hanya apabila isyarat digital dihalakan ke bahagian analog atau sebaliknya. Puncanya bukan pembahagian tanah tetapi penghalaan isyarat digital yang tidak betul.

Mengguna pakai asas bersatu dalam reka bentuk PCB, membahagikan litar digital dan analog, dan penghalaan isyarat yang sesuai selalunya menyelesaikan reka letak dan cabaran penghalaan yang kompleks tanpa memperkenalkan isu yang berpotensi daripada pembahagian tanah. Dalam kes ini, penempatan komponen dan pembahagian menjadi penting kepada kualiti reka bentuk. Dengan susun atur dan penghalaan yang betul, arus bumi digital terhad kepada bahagian digital, mengelakkan gangguan dengan isyarat analog. Penghalaan sedemikian memerlukan pemeriksaan dan pengesahan yang teliti untuk memastikan pematuhan 100% dengan peraturan penghalaan. Jika tidak, satu talian isyarat tersalah hala boleh merosakkan PCB yang sangat baik.

Apabila menyambungkan pin tanah analog dan digital penukar A/D, kebanyakan pengeluar mengesyorkan untuk menyambungkan pin AGND dan DGND dengan petunjuk terpendek ke tanah galangan rendah tunggal (nota: kebanyakan cip penukar A/D tidak menyambungkan analog secara dalaman dan alasan digital, memerlukan sambungan pin luaran). Sebarang impedans luaran yang disambungkan kepada DGND boleh menggabungkan lebih banyak bunyi digital ke dalam litar analog dalaman IC melalui kapasitans parasit. Berikutan pengesyoran ini, kedua-dua pin AGND dan DGND penukar A/D harus disambungkan ke tanah analog, tetapi ini menimbulkan persoalan tentang tempat untuk membumikan kapasitor penyahgandingan untuk isyarat digital—ke tanah analog atau digital.

Jika sistem hanya mempunyai satu penukar A/D, penyelesaiannya adalah mudah. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, belah tanah dan sambungkan bahagian tanah analog dan digital di bawah penukar A/D. Apabila berbuat demikian, pastikan jambatan yang menghubungkan kedua-dua alasan adalah selebar IC, dan tiada garis isyarat yang melintasi jurang.

Jika terdapat banyak penukar A/D dalam sistem, seperti penukar 10 A/D, bagaimana hendak menyambungkannya? Jika tanah analog dan tanah digital disambungkan bersama di bawah setiap penukar A/D, ia akan menghasilkan berbilang titik sambungan, dan pengasingan antara tanah analog dan tanah digital akan menjadi tidak bermakna. Jika tidak disambungkan dengan cara ini, ia akan melanggar keperluan pengeluar.
Cara terbaik ialah menggunakan asas yang bersatu pada mulanya. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4, tanah bersatu dibahagikan kepada bahagian analog dan bahagian digital. Susun atur dan pendawaian ini bukan sahaja memenuhi keperluan pengeluar peranti IC untuk sambungan impedans rendah antara pin tanah analog dan digital, tetapi juga tidak mencipta antena gelung atau antena dipole yang boleh menyebabkan masalah EMC.

Jika anda mempunyai keraguan tentang menggunakan pendekatan bersatu untuk reka bentuk PCB isyarat campuran, anda boleh menggunakan kaedah pembahagian lapisan tanah untuk menyusun dan mengarahkan keseluruhan papan litar. Semasa reka bentuk, beri perhatian untuk memudahkan papan litar disambungkan bersama menggunakan pelompat dengan jarak kurang daripada 1/2 inci atau perintang 0 ohm semasa eksperimen kemudian. Beri perhatian kepada pembahagian dan penghalaan, memastikan tiada garis isyarat digital terletak di atas bahagian analog pada semua lapisan, dan tiada garis isyarat analog terletak di atas bahagian digital. Selain itu, tiada garis isyarat boleh melepasi jurang tanah atau membahagikan jurang antara bekalan kuasa. Untuk menguji fungsi dan prestasi EMC papan litar, sambungkan dua alasan bersama-sama menggunakan perintang atau pelompat 0 ohm, dan uji semula fungsi dan prestasi EMC papan litar. Membandingkan keputusan ujian, akan didapati bahawa dalam hampir semua kes, pendekatan bersatu adalah lebih baik daripada pendekatan terbahagi dari segi fungsi dan prestasi EMC.

#Adakah kaedah pembahagian tanah masih berguna?
Kaedah ini boleh digunakan dalam tiga situasi berikut: sesetengah peralatan perubatan memerlukan arus bocor yang rendah antara litar dan sistem yang disambungkan kepada pesakit; keluaran beberapa peralatan kawalan proses industri mungkin disambungkan kepada peranti elektromekanikal dengan bunyi yang tinggi dan kuasa tinggi; situasi lain ialah apabila susun atur PCB tertakluk kepada sekatan tertentu.
Biasanya terdapat bekalan kuasa digital dan analog yang berasingan pada papan PCB isyarat bercampur, dan boleh dan semestinya boleh menggunakan satah kuasa belah. Walau bagaimanapun, garis isyarat yang bersebelahan serta-merta dengan satah kuasa tidak boleh melepasi jurang antara bekalan kuasa, dan semua talian isyarat yang melintasi jurang ini mesti terletak pada lapisan litar bersebelahan dengan satah tanah yang besar. Dalam sesetengah kes, mereka bentuk bekalan kuasa analog dengan talian penyambung PCB dan bukannya satu satah boleh mengelakkan masalah membelah satah kuasa.

Reka bentuk PCB isyarat campuran adalah proses yang kompleks, dan perkara-perkara berikut harus diperhatikan semasa proses reka bentuk:

1. Bahagikan PCB kepada bahagian analog dan digital yang berasingan.
2. Susun atur komponen yang betul.
3. Penukar A/D diletakkan merentasi partition.
4. Jangan bahagikan tanah. Letakkan bahagian analog dan digital papan litar secara seragam di bawah tanah.
5. Dalam semua lapisan papan litar, isyarat digital hanya boleh dialihkan di bahagian digital papan.
6. Dalam semua lapisan papan litar, isyarat analog hanya boleh dialihkan di bahagian analog papan.
7. Melaksanakan pembahagian sumber kuasa analog dan digital.
8. Pendawaian tidak boleh melepasi jurang antara permukaan bekalan kuasa yang dibahagikan.
9. Garis isyarat yang mesti melintasi jurang antara bekalan kuasa terbelah hendaklah terletak pada lapisan pendawaian bersebelahan dengan tanah kawasan yang besar.
10. Analisis laluan dan mod sebenar arus yang mengalir kembali ke tanah.
11. Amalkan peraturan pendawaian yang betul.