Streszczenie: Projekt obwodów PCB o mieszanym sygnale (płytka drukowana) jest skomplikowany, a układ komponentów, trasowanie oraz obsługa zasilaczy i linii uziemiających bezpośrednio wpływają na wydajność obwodu i kompatybilność elektromagnetyczną (EMC). W artykule przedstawiono projekt podziału na strefy dla uziemienia i zasilaczy, który może zoptymalizować wydajność obwodów o mieszanym sygnale.

Jak zmniejszyć wzajemne zakłócenia pomiędzy sygnałami cyfrowymi i analogowymi? Przed przystąpieniem do projektowania ważne jest zrozumienie dwóch podstawowych zasad kompatybilności elektromagnetycznej: pierwszą zasadą jest maksymalne zminimalizowanie powierzchni pętli prądowych; druga zasada polega na zastosowaniu jednej płaszczyzny odniesienia dla układu. I odwrotnie, jeśli układ ma dwie płaszczyzny odniesienia, może utworzyć antenę dipolową (uwaga: promieniowanie małej anteny dipolowej jest proporcjonalne do długości przewodów, wielkości przepływającego przez nie prądu i częstotliwości). Dodatkowo, jeśli sygnały nie mogą powrócić przez najmniejsze możliwe pętle, można utworzyć dużą antenę pętlową (uwaga: promieniowanie małej anteny pętlowej jest proporcjonalne do powierzchni pętli, wielkości prądu przepływającego przez pętlę i kwadratu częstotliwość). Podczas projektowania należy w miarę możliwości unikać obu scenariuszy.

Niektórzy sugerują oddzielenie uziemień cyfrowych i analogowych na płytkach o mieszanym sygnale, aby uzyskać między nimi izolację. Chociaż takie podejście jest wykonalne, stwarza wiele potencjalnych problemów, szczególnie w przypadku złożonych systemów o dużej skali. Najbardziej krytycznym problemem jest niemożność poprowadzenia przewodów przez rozdzielone szczeliny, ponieważ może to radykalnie zwiększyć promieniowanie elektromagnetyczne i przesłuchy sygnału. Najczęstszym problemem spotykanym przy projektowaniu płytek PCB są problemy z zakłóceniami elektromagnetycznymi wynikającymi z przecinania się linii sygnałowych przez rozdzielone masy lub zasilacze.

Jak pokazano na rysunku 1, przyjmujemy wspomnianą metodę segmentacji i kiedy linia sygnału rozciąga się na przerwę między dwiema masami, jaka jest droga powrotna prądu sygnału? Zakładając, że dwie podzielone na segmenty masy są gdzieś połączone (zwykle w jednym punkcie), w tym przypadku prąd doziemny utworzy dużą pętlę. Prądy o wysokiej częstotliwości przepływające przez tę dużą pętlę generują promieniowanie i wysoką indukcyjność uziemienia. Jeżeli przez tę dużą pętlę przepływają prądy analogowe o niskim natężeniu, są one podatne na zakłócenia sygnału zewnętrznego. Najgorszy scenariusz ma miejsce, gdy segmentowane masy są podłączone do źródła zasilania, tworząc niezwykle dużą pętlę prądową. Dodatkowo połączenie mas analogowych i cyfrowych długim przewodem tworzy antenę dipolową.

Zrozumienie ścieżki i sposobu powrotu prądu do masy ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji projektu płytki drukowanej z sygnałem mieszanym. Wielu projektantów bierze pod uwagę wyłącznie miejsce, w którym płynie prąd sygnałowy, zaniedbując konkretną ścieżkę prądu. Jeśli konieczna jest segmentacja płaszczyzny uziemienia, a trasa musi przebiegać przez szczelinę między segmentami, najpierw należy ustanowić jednopunktowe połączenie pomiędzy podzielonymi na segmenty uziemieniami, tworząc między nimi most, a następnie poprowadzić trasę przez ten most. Zapewnia to ścieżkę powrotną prądu stałego pod każdą linią sygnałową, minimalizując obszar pętli.

Można również zastosować izolatory optyczne lub transformatory, aby umożliwić sygnałom przechodzenie przez przerwy segmentowe. W pierwszym przypadku sygnały optyczne przechodzą przez szczelinę; w tym drugim przypadku robią to pola magnetyczne. Inną realną opcją jest wykorzystanie sygnałów różnicowych, w przypadku których sygnał przepływa jedną linią i powraca drugą, co eliminuje potrzebę stosowania uziemienia jako ścieżki powrotnej.

Aby zagłębić się w zakłócenia sygnałów cyfrowych na sygnały analogowe, konieczne jest zrozumienie natury prądów o wysokiej częstotliwości. Prądy o wysokiej częstotliwości zawsze wybierają ścieżkę o najmniejszej impedancji (najniższej indukcyjności), bezpośrednio pod sygnałem, stąd prądy powrotne przepływają przez sąsiednie warstwy obwodu, czy to płaszczyzny zasilania, czy uziemienia.

W praktyce często stosuje się ujednolicone uziemienie i dzieli płytkę drukowaną na sekcje analogową i cyfrową. Sygnały analogowe są kierowane w obszarze analogowym na wszystkich warstwach PCB, natomiast sygnały cyfrowe są kierowane w obszarze cyfrowym. Zapobiega to przedostawaniu się cyfrowych prądów powrotnych do masy analogowej.

Zakłócenia między sygnałami cyfrowymi a sygnałami analogowymi powstają tylko wtedy, gdy sygnały cyfrowe są kierowane przez sekcję analogową lub odwrotnie. Podstawową przyczyną nie jest segmentacja masy, ale niewłaściwe trasowanie sygnałów cyfrowych.

Przyjęcie ujednoliconego podłoża w projektowaniu PCB, podział obwodów cyfrowych i analogowych oraz odpowiednie trasowanie sygnału często rozwiązują złożone problemy związane z układem i routingiem bez wprowadzania potencjalnych problemów wynikających z segmentacji uziemienia. W tym przypadku rozmieszczenie i podział komponentów stają się kluczowe dla jakości projektu. Przy właściwym układzie i routingu cyfrowe prądy uziemienia ograniczają się do sekcji cyfrowej, co pozwala uniknąć zakłóceń z sygnałami analogowymi. Taki routing wymaga skrupulatnej kontroli i weryfikacji, aby zapewnić 100% zgodność z zasadami routingu. W przeciwnym razie pojedyncza źle poprowadzona linia sygnałowa może zniszczyć doskonałą płytkę PCB.

Podczas podłączania analogowych i cyfrowych styków uziemienia przetwornika A/D większość producentów zaleca podłączenie styków AGND i DGND najkrótszymi przewodami do pojedynczego uziemienia o niskiej impedancji (uwaga: większość układów przetwornika A/D nie łączy wewnętrznie analogów i uziemienia cyfrowe, co wymaga zewnętrznych połączeń pinowych). Dowolna impedancja zewnętrzna podłączona do DGND może sprowadzić więcej szumu cyfrowego do wewnętrznych obwodów analogowych układu scalonego poprzez pojemność pasożytniczą. Zgodnie z tym zaleceniem zarówno piny AGND, jak i DGND przetwornika A/D powinny być podłączone do masy analogowej, ale rodzi to pytanie, gdzie uziemić kondensatory odsprzęgające sygnały cyfrowe – do masy analogowej czy cyfrowej.

Jeśli system ma tylko jeden przetwornik A/D, rozwiązanie jest proste. Jak pokazano na rysunku 3, podziel masę i podłącz analogową i cyfrową sekcję uziemienia pod przetwornikiem A/C. Robiąc to, upewnij się, że mostek łączący dwie masy jest tak szeroki jak układ scalony i żadne linie sygnałowe nie przecinają szczeliny.

Jeśli w systemie jest wiele przetworników A/D, np. 10 przetworników A/D, jak je podłączyć? Jeśli masa analogowa i masa cyfrowa zostaną połączone razem pod każdym przetwornikiem A/D, powstanie wiele punktów połączenia, a izolacja pomiędzy masą analogową a masą cyfrową będzie bez znaczenia. Jeżeli nie zostanie to podłączone w ten sposób, będzie to sprzeczne z wymaganiami producenta.
Najlepszym sposobem jest użycie na początku jednolitego podłoża. Jak pokazano na rysunku 4, ujednolicona masa jest podzielona na część analogową i część cyfrową. Ten układ i okablowanie nie tylko spełniają wymagania producentów urządzeń IC dotyczące połączeń o niskiej impedancji pomiędzy analogowymi i cyfrowymi pinami uziemiającymi, ale także nie tworzą anten pętlowych ani anten dipolowych, które mogłyby powodować problemy EMC.

Jeśli masz wątpliwości co do zastosowania ujednoliconego podejścia do projektowania PCB dla sygnałów mieszanych, możesz zastosować metodę segmentacji warstwy podstawowej, aby rozłożyć i poprowadzić całą płytkę drukowaną. Podczas projektowania zwróć uwagę, aby podczas późniejszych eksperymentów ułatwić połączenie płytki drukowanej za pomocą zworek o odstępie mniejszym niż 1/2 cala lub rezystorów 0 omów. Zwróć uwagę na podział i routing, upewniając się, że żadne cyfrowe linie sygnałowe nie znajdują się nad częścią analogową na wszystkich warstwach i żadne analogowe linie sygnałowe nie znajdują się nad częścią cyfrową. Co więcej, żadna linia sygnałowa nie może przekroczyć przerwy uziemiającej ani podzielić przerwy pomiędzy zasilaczami. Aby przetestować działanie i parametry EMC płytki drukowanej, połącz ze sobą obydwa masy za pomocą rezystora lub zworki 0 omów, a następnie ponownie przetestuj działanie i parametry EMC płytki drukowanej. Porównując wyniki testów, okaże się, że w prawie wszystkich przypadkach podejście ujednolicone jest lepsze od podejścia podzielonego pod względem funkcjonalności i parametrów EMC.

#Czy metoda podziału gruntu jest nadal przydatna?
Metodę tę można zastosować w trzech następujących sytuacjach: niektóre urządzenia medyczne wymagają niskiego prądu upływowego pomiędzy obwodami i systemami podłączonymi do pacjenta; wyjście niektórych urządzeń do sterowania procesami przemysłowymi może być podłączone do urządzeń elektromechanicznych o dużym poziomie hałasu i dużej mocy; Inna sytuacja ma miejsce, gdy układ PCB podlega określonym ograniczeniom.
Zwykle na płytkach drukowanych o mieszanym sygnale znajdują się oddzielne zasilacze cyfrowe i analogowe, przy czym możliwe jest i powinno być możliwe zastosowanie rozdzielonej płaszczyzny zasilania. Jednakże linie sygnałowe bezpośrednio przylegające do płaszczyzny zasilania nie mogą przechodzić przez szczelinę pomiędzy zasilaczami, a wszystkie linie sygnałowe przechodzące przez tę szczelinę muszą znajdować się w warstwie obwodu bezpośrednio przylegającej do dużej płaszczyzny uziemienia. W niektórych przypadkach zaprojektowanie analogowego zasilacza z liniami łączącymi PCB, a nie z pojedynczą płaszczyzną, pozwala uniknąć problemu podziału płaszczyzny zasilania.

Projektowanie PCB dla sygnałów mieszanych jest złożonym procesem i podczas projektowania należy zwrócić uwagę na następujące kwestie:

1. Podziel płytkę drukowaną na oddzielne sekcje analogowe i cyfrowe.
2. Właściwy układ komponentów.
3. Przetworniki A/D umieszczono w poprzek przegrody.
4. Nie dziel ziemi. Połóż analogowe i cyfrowe części płytki drukowanej równomiernie pod ziemią.
5. We wszystkich warstwach płytki drukowanej sygnały cyfrowe mogą być kierowane tylko w cyfrowej części płytki.
6. We wszystkich warstwach płytki drukowanej sygnały analogowe mogą być kierowane tylko w analogowej części płytki.
7. Wprowadź podział na analogowe i cyfrowe źródła zasilania.
8. Okablowanie nie może przechodzić przez szczelinę pomiędzy podzielonymi powierzchniami zasilania.
9. Linia sygnałowa, która musi przechodzić przez szczelinę pomiędzy rozdzielonymi zasilaczami, powinna znajdować się na warstwie okablowania bezpośrednio przylegającej do masy o dużej powierzchni.
10. Przeanalizuj rzeczywistą ścieżkę i tryb prądu płynącego z powrotem do ziemi.
11. Zastosuj prawidłowe zasady okablowania.