Samenvatting: Het ontwerp van PCB-circuits (Printed Circuit Board) met gemengd signaal is ingewikkeld, waarbij de lay-out van componenten, routing en de omgang met voedingen en aardleidingen een directe invloed hebben op de circuitprestaties en elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Dit artikel introduceert een bestemmingsontwerp voor grond- en voedingen dat de prestaties van circuits met gemengd signaal kan optimaliseren.

Hoe kunnen we de onderlinge interferentie tussen digitale en analoge signalen verminderen? Voorafgaand aan het ontwerp is het van cruciaal belang om twee fundamentele principes van EMC te begrijpen: het eerste principe is om het gebied van stroomlussen zo veel mogelijk te minimaliseren; het tweede principe is het gebruik van één enkel referentievlak voor het systeem. Omgekeerd, als het systeem twee referentievlakken heeft, kan het een dipoolantenne vormen (let op: de straling van een kleine dipoolantenne is evenredig met de lengte van de draden, de grootte van de stroom die er doorheen vloeit en de frequentie). Bovendien, als signalen niet door de kleinst mogelijke lussen kunnen terugkeren, kan er een grote lusantenne worden gevormd (let op: de straling van een kleine lusantenne is evenredig met het lusoppervlak, de grootte van de stroom die door de lus vloeit en het kwadraat van de frequentie). Bij het ontwerp moeten beide scenario’s zoveel mogelijk worden vermeden.

Sommigen stellen voor om digitale en analoge gronden op gemengde signaalborden te scheiden om isolatie daartussen te bereiken. Hoewel deze aanpak haalbaar is, brengt deze tal van potentiële problemen met zich mee, vooral in complexe, grootschalige systemen. Het meest kritische probleem is het onvermogen om draden over de gespleten gaten te leiden, omdat dit de elektromagnetische straling en signaaloverspraak dramatisch kan vergroten. Het meest voorkomende probleem bij het ontwerpen van PCB's zijn EMI-problemen die voortkomen uit signaallijnen die over gesplitste aarde of voedingen lopen.

Zoals weergegeven in figuur 1 passen we de bovengenoemde segmentatiemethode toe, en wanneer de signaallijn de opening tussen twee gronden overspant, wat is dan het retourpad voor de signaalstroom? Ervan uitgaande dat de twee gesegmenteerde aardingen ergens zijn verbonden (meestal op één punt), zal de aardstroom in dit geval een grote lus vormen. Hoogfrequente stromen die door deze grote lus stromen, genereren straling en een hoge aardinductie. Als er analoge stromen van laag niveau door deze grote lus stromen, zijn ze gevoelig voor externe signaalinterferentie. Het slechtste scenario is wanneer de gesegmenteerde aardingen zijn aangesloten op de stroomvoorziening en zo een extreem grote stroomlus vormen. Bovendien ontstaat door het verbinden van analoge en digitale aarde via een lange draad een dipoolantenne.

Het begrijpen van het pad en de manier waarop de stroom terugkeert naar de aarde is cruciaal voor het optimaliseren van het PCB-ontwerp met gemengd signaal. Veel ontwerpingenieurs houden zich uitsluitend bezig met waar de signaalstroom vloeit, waarbij ze het specifieke stroompad verwaarlozen. Als segmentatie van het grondvlak noodzakelijk is en de route de opening tussen de segmenten moet doorkruisen, breng dan eerst een éénpuntsverbinding tot stand tussen de gesegmenteerde gronden, zodat er een brug tussen ontstaat, en routeer dan via deze brug. Dit zorgt voor een gelijkstroomretourpad onder elke signaallijn, waardoor het lusoppervlak wordt geminimaliseerd.

Optische isolatoren of transformatoren kunnen ook worden gebruikt om signalen in staat te stellen gesegmenteerde gaten te overschrijden. In het eerste geval doorkruisen optische signalen de opening; in het laatste geval doen magnetische velden dat wel. Een andere haalbare optie is het gebruik van differentiële signalen, waarbij het signaal naar de ene lijn stroomt en via een andere terugkeert, waardoor er geen aarde als retourpad nodig is.

Om de interferentie van digitale signalen op analoge signalen te onderzoeken, is het essentieel om de aard van hoogfrequente stromen te begrijpen. Hoogfrequente stromen kiezen altijd het pad met de minste impedantie (laagste inductantie), direct onder het signaal, en daarom vloeien retourstromen door aangrenzende circuitlagen, of dit nu stroom- of aardvlakken zijn.

In de praktijk is het gebruikelijk om een ​​uniforme aarde te gebruiken en de PCB in analoge en digitale secties te verdelen. Analoge signalen worden binnen het analoge gebied op alle PCB-lagen gerouteerd, terwijl digitale signalen binnen het digitale gebied worden gerouteerd. Dit voorkomt dat digitale retourstromen naar de analoge aarde vloeien.

Interferentie van digitale signalen naar analoge signalen ontstaat alleen wanneer digitale signalen over het analoge gedeelte worden geleid of omgekeerd. De hoofdoorzaak is niet grondsegmentatie, maar onjuiste routering van digitale signalen.

Het aannemen van een uniforme basis in het PCB-ontwerp, het verdelen van digitale en analoge circuits en de juiste signaalroutering lossen vaak complexe lay-out- en routeringsproblemen op zonder potentiële problemen als gevolg van grondsegmentatie te introduceren. In dit geval worden de plaatsing en verdeling van componenten cruciaal voor de ontwerpkwaliteit. Met de juiste lay-out en routering blijven digitale aardstromen beperkt tot het digitale gedeelte, waardoor interferentie met analoge signalen wordt vermeden. Een dergelijke routing vereist nauwgezette inspectie en verificatie om 100% naleving van de routingregels te garanderen. Anders kan een enkele verkeerd gerouteerde signaallijn een overigens uitstekende PCB verpesten.

Bij het aansluiten van de analoge en digitale aardepinnen van een A/D-converter raden de meeste fabrikanten aan om de AGND- en DGND-pinnen met de kortste draden aan te sluiten op een enkele aarde met lage impedantie (let op: de meeste A/D-converterchips verbinden intern geen analoge en digitale aarding, waardoor externe pinverbindingen nodig zijn). Elke externe impedantie die op DGND is aangesloten, kan via parasitaire capaciteit meer digitale ruis in de interne analoge circuits van het IC koppelen. Volgens deze aanbeveling moeten zowel de AGND- als de DGND-pinnen van de A/D-omzetter worden aangesloten op de analoge aarde, maar dit roept vragen op over waar de ontkoppelcondensatoren voor digitale signalen moeten worden geaard – op analoge of digitale aarde.

Als het systeem slechts één A/D-converter heeft, is de oplossing eenvoudig. Zoals weergegeven in afbeelding 3, splitst u de aarde en sluit u de analoge en digitale aardesecties onder de A/D-omzetter aan. Zorg er daarbij voor dat de brug die de twee aardes verbindt, even breed is als het IC en dat er geen signaallijnen over de opening lopen.

Als er veel A/D-converters in het systeem zijn, zoals 10 A/D-converters, hoe sluit ik deze dan aan? Als de analoge aarde en de digitale aarde met elkaar zijn verbonden onder elke A/D-omzetter, zal dit resulteren in meerdere verbindingspunten en zal de isolatie tussen de analoge aarde en de digitale aarde zinloos zijn. Als het niet op deze manier wordt aangesloten, is het in strijd met de eisen van de fabrikant.
De beste manier is om in het begin een uniforme grond te gebruiken. Zoals weergegeven in figuur 4 is de verenigde aarde verdeeld in een analoog deel en een digitaal deel. Deze lay-out en bedrading voldoen niet alleen aan de vereisten van fabrikanten van IC-apparaten voor verbindingen met lage impedantie tussen analoge en digitale aardingspinnen, maar creëren ook geen lusantennes of dipoolantennes die EMC-problemen kunnen veroorzaken.

Als u twijfelt over het gebruik van een uniforme aanpak voor het ontwerpen van PCB's met gemengd signaal, kunt u de grondlaagsegmentatiemethode gebruiken om de hele printplaat in te delen en te routeren. Let er tijdens het ontwerp op dat u het gemakkelijker maakt om de printplaat met elkaar te verbinden met behulp van jumpers met een afstand van minder dan 1/2 inch of weerstanden van 0 ohm tijdens latere experimenten. Besteed aandacht aan de verdeling en routering en zorg ervoor dat er op alle lagen geen digitale signaallijnen boven het analoge deel liggen, en dat er geen analoge signaallijnen boven het digitale deel liggen. Bovendien kan geen enkele signaallijn de aardopening overbruggen of de opening tussen voedingen verdelen. Om de functie en EMC-prestaties van de printplaat te testen, verbindt u de twee aardingen met elkaar met behulp van een weerstand of jumper van 0 ohm, en test u de functie en EMC-prestaties van de printplaat opnieuw. Bij het vergelijken van de testresultaten zal blijken dat in bijna alle gevallen de uniforme benadering superieur is aan de verdeelde benadering in termen van functie en EMC-prestaties.

#Is de methode om het land te verdelen nog steeds bruikbaar?
Deze methode kan in de volgende drie situaties worden gebruikt: sommige medische apparatuur vereist een lage lekstroom tussen de circuits en systemen die op de patiënt zijn aangesloten; de output van sommige industriële procescontroleapparatuur kan worden aangesloten op elektromechanische apparaten met veel ruis en hoog vermogen; een andere situatie doet zich voor wanneer de lay-out van de printplaat aan specifieke beperkingen onderhevig is.
Er zijn meestal afzonderlijke digitale en analoge voedingen op printplaten met gemengd signaal, en het kan en moet mogelijk zijn om een ​​gesplitst voedingsvlak te gebruiken. Signaallijnen die direct grenzen aan het voedingsvlak kunnen de opening tussen voedingen echter niet overbruggen, en alle signaallijnen die deze opening kruisen moeten zich op de circuitlaag bevinden die direct grenst aan het grote aardvlak. In sommige gevallen kan het ontwerpen van de analoge voeding met PCB-verbindingslijnen in plaats van een enkel vlak het probleem van het splitsen van het stroomvlak vermijden.

Het ontwerpen van PCB's met gemengd signaal is een complex proces en tijdens het ontwerpproces moeten de volgende punten in acht worden genomen:

1. Verdeel de PCB in afzonderlijke analoge en digitale secties.
2. Juiste indeling van componenten.
3. A/D-converters worden over de partitie geplaatst.
4. Verdeel de grond niet. Leg de analoge en digitale delen van de printplaat gelijkmatig onder de grond.
5. In alle lagen van de printplaat kunnen digitale signalen alleen in het digitale deel van de printplaat worden gerouteerd.
6. In alle lagen van de printplaat kunnen analoge signalen alleen in het analoge deel van de printplaat worden gerouteerd.
7. Implementeer de scheiding tussen analoge en digitale stroombronnen.
8. De bedrading kan de opening tussen de verdeelde voedingsoppervlakken niet overbruggen.
9. De signaallijn die de opening tussen de gesplitste voedingen moet overbruggen, moet zich op de bedradingslaag bevinden, direct grenzend aan de grote aarde.
10. Analyseer het daadwerkelijke pad en de modus van de stroom die terug naar de grond vloeit.
11. Hanteer de juiste bedradingsregels.