Resumo: O projeto de circuitos PCB (placa de circuito impresso) de sinal misto é complexo, onde o layout dos componentes, o roteamento e o manuseio das fontes de alimentação e linhas de aterramento impactam diretamente o desempenho do circuito e a compatibilidade eletromagnética (EMC). Este artigo apresenta um projeto de zoneamento para aterramento e fontes de alimentação que pode otimizar o desempenho de circuitos de sinais mistos.

Como podemos reduzir a interferência mútua entre sinais digitais e analógicos? Antes do projeto, é crucial compreender dois princípios fundamentais da EMC: o primeiro princípio é minimizar ao máximo a área dos loops de corrente; o segundo princípio é empregar um único plano de referência para o sistema. Por outro lado, se o sistema tiver dois planos de referência, ele pode formar uma antena dipolo (nota: a radiação de uma antena dipolo pequena é proporcional ao comprimento dos fios, à magnitude da corrente que flui através deles e à frequência). Além disso, se os sinais não puderem retornar através dos menores loops possíveis, uma grande antena de loop pode ser formada (nota: a radiação de uma pequena antena de loop é proporcional à área do loop, à magnitude da corrente que flui através do loop e ao quadrado de a frequência). Ambos os cenários devem ser evitados tanto quanto possível no design.

Alguns sugerem segregar os aterramentos digitais e analógicos em placas de sinais mistos para obter isolamento entre eles. Embora esta abordagem seja viável, ela apresenta vários problemas potenciais, especialmente em sistemas complexos e de grande escala. O problema mais crítico é a incapacidade de rotear os fios através das lacunas divididas, pois isso pode aumentar drasticamente a radiação eletromagnética e a diafonia do sinal. O problema mais comum encontrado no projeto de PCB são problemas de EMI decorrentes de linhas de sinal que cruzam terrenos divididos ou fontes de alimentação.

Conforme mostrado na Figura 1, adotamos o método de segmentação mencionado anteriormente e, quando a linha de sinal atravessa o espaço entre dois aterramentos, qual é o caminho de retorno da corrente do sinal? Supondo que os dois aterramentos segmentados estejam conectados em algum lugar (geralmente em um único ponto), neste caso, a corrente de aterramento formará um grande loop. Correntes de alta frequência fluindo através deste grande circuito geram radiação e alta indutância de aterramento. Se correntes analógicas de baixo nível fluírem através deste grande circuito, elas serão suscetíveis a interferências de sinais externos. O pior cenário é quando os aterramentos segmentados são conectados à fonte de alimentação, formando um loop de corrente extremamente grande. Além disso, conectar aterramentos analógicos e digitais através de um fio longo cria uma antena dipolo.

Compreender o caminho e a forma como a corrente retorna ao solo é crucial para otimizar o projeto de PCB de sinal misto. Muitos engenheiros de projeto consideram apenas para onde a corrente do sinal flui, negligenciando o caminho específico da corrente. Se a segmentação do plano de aterramento for necessária e o roteamento precisar atravessar a lacuna entre os segmentos, primeiro estabeleça uma conexão de ponto único entre os aterramentos segmentados, formando uma ponte entre eles e, em seguida, roteie através dessa ponte. Isto garante um caminho de retorno de corrente contínua abaixo de cada linha de sinal, minimizando a área do loop.

Isoladores ópticos ou transformadores também podem ser empregados para permitir que os sinais atravessem lacunas segmentadas. No primeiro caso, os sinais ópticos atravessam a lacuna; neste último, os campos magnéticos sim. Outra opção viável é a utilização de sinais diferenciais, onde o sinal flui para uma linha e retorna por outra, eliminando a necessidade de aterramento como caminho de retorno.

Para aprofundar a interferência dos sinais digitais nos sinais analógicos, é essencial compreender a natureza das correntes de alta frequência. As correntes de alta frequência sempre escolhem o caminho de menor impedância (menor indutância), diretamente abaixo do sinal, portanto, as correntes de retorno fluem através das camadas adjacentes do circuito, sejam elas de potência ou de terra.

Na prática, é comum usar um aterramento unificado e particionar a PCB em seções analógicas e digitais. Os sinais analógicos são roteados dentro da área analógica em todas as camadas da PCB, enquanto os sinais digitais são roteados dentro da área digital. Isto evita que as correntes de retorno digitais fluam para o terra analógico.

A interferência de sinais digitais em sinais analógicos surge somente quando os sinais digitais são roteados pela seção analógica ou vice-versa. A causa raiz não é a segmentação do solo, mas o roteamento inadequado de sinais digitais.

A adoção de um terreno unificado no projeto de PCB, o particionamento de circuitos digitais e analógicos e o roteamento de sinal apropriado geralmente resolvem desafios complexos de layout e roteamento sem introduzir possíveis problemas de segmentação de solo. Nesse caso, o posicionamento e o particionamento dos componentes tornam-se essenciais para a qualidade do projeto. Com layout e roteamento adequados, as correntes digitais de aterramento ficam confinadas à seção digital, evitando interferência com sinais analógicos. Esse roteamento requer inspeção e verificação meticulosas para garantir 100% de conformidade com as regras de roteamento. Caso contrário, uma única linha de sinal mal roteada pode arruinar uma PCB excelente.

Ao conectar os pinos de aterramento analógico e digital de um conversor A/D, a maioria dos fabricantes recomenda conectar os pinos AGND e DGND com os fios mais curtos a um único aterramento de baixa impedância (nota: a maioria dos chips conversores A/D não conectam internamente os pinos analógicos e digitais). aterramentos digitais, necessitando de conexões de pinos externos). Qualquer impedância externa conectada ao DGND pode acoplar mais ruído digital ao circuito analógico interno do IC por meio de capacitância parasita. Seguindo esta recomendação, ambos os pinos AGND e DGND do conversor A/D devem ser conectados ao aterramento analógico, mas isso levanta questões sobre onde aterrar os capacitores de desacoplamento para sinais digitais – ao aterramento analógico ou digital.

Se o sistema tiver apenas um conversor A/D, a solução é simples. Conforme mostrado na Figura 3, divida o aterramento e conecte as seções de aterramento analógico e digital abaixo do conversor A/D. Ao fazer isso, certifique-se de que a ponte que conecta os dois aterramentos seja tão larga quanto o IC e que nenhuma linha de sinal cruze a lacuna.

Se houver muitos conversores A/D no sistema, como 10 conversores A/D, como conectá-los? Se o aterramento analógico e o aterramento digital forem conectados juntos em cada conversor A/D, isso resultará em vários pontos de conexão e o isolamento entre o aterramento analógico e o aterramento digital não terá sentido. Se não for conectado desta forma, violará os requisitos do fabricante.
A melhor maneira é usar um terreno unificado no início. Conforme mostrado na Figura 4, o aterramento unificado é dividido em uma parte analógica e uma parte digital. Este layout e fiação não apenas atendem aos requisitos dos fabricantes de dispositivos IC para conexões de baixa impedância entre pinos de aterramento analógicos e digitais, mas também não criam antenas de quadro ou antenas dipolo que possam causar problemas de EMC.

Se você tiver dúvidas sobre o uso de uma abordagem unificada para projeto de PCB de sinal misto, poderá usar o método de segmentação da camada de terra para organizar e rotear toda a placa de circuito. Durante o projeto, preste atenção para facilitar a conexão da placa de circuito usando jumpers com espaçamento inferior a 1/2 polegada ou resistores de 0 ohm durante experimentos posteriores. Preste atenção ao particionamento e ao roteamento, garantindo que nenhuma linha de sinal digital esteja localizada acima da parte analógica em todas as camadas e que nenhuma linha de sinal analógico esteja localizada acima da parte digital. Além disso, nenhuma linha de sinal pode cruzar a lacuna de aterramento ou dividir a lacuna entre as fontes de alimentação. Para testar a função e o desempenho EMC da placa de circuito, conecte os dois aterramentos usando um resistor ou jumper de 0 ohm e teste novamente a função e o desempenho EMC da placa de circuito. Comparando os resultados dos testes, constata-se que, em quase todos os casos, a abordagem unificada é superior à abordagem dividida em termos de função e desempenho de EMC.

#O método de divisão da terra ainda é útil?
Este método pode ser utilizado nas três situações a seguir: alguns equipamentos médicos necessitam de baixa corrente de fuga entre os circuitos e sistemas conectados ao paciente; a saída de alguns equipamentos de controle de processos industriais pode ser conectada a dispositivos eletromecânicos com alto ruído e alta potência; outra situação é quando o layout da PCB está sujeito a restrições específicas.
Geralmente existem fontes de alimentação digitais e analógicas separadas em placas PCB de sinais mistos, e pode e deve ser possível usar um plano de alimentação dividido. No entanto, as linhas de sinal que estão imediatamente adjacentes ao plano de potência não podem cruzar o intervalo entre as fontes de alimentação, e todas as linhas de sinal que atravessam esse intervalo devem estar localizadas na camada do circuito imediatamente adjacente ao grande plano de terra. Em alguns casos, projetar a fonte de alimentação analógica com linhas de conexão PCB em vez de um único plano pode evitar o problema de divisão do plano de potência.

O projeto de PCB de sinal misto é um processo complexo e os seguintes pontos devem ser observados durante o processo de projeto:

1. Divida o PCB em seções analógicas e digitais separadas.
2. Layout adequado dos componentes.
3. Os conversores A/D são colocados na partição.
4. Não divida o terreno. Coloque as partes analógicas e digitais da placa de circuito uniformemente sob o solo.
5. Em todas as camadas da placa de circuito, os sinais digitais só podem ser roteados na parte digital da placa.
6. Em todas as camadas da placa de circuito, os sinais analógicos só podem ser roteados na parte analógica da placa.
7. Implementar a divisão de fontes de energia analógicas e digitais.
8. A fiação não pode cruzar o espaço entre as superfícies divididas da fonte de alimentação.
9. A linha de sinal que deve cruzar o espaço entre as fontes de alimentação divididas deve estar localizada na camada de fiação imediatamente adjacente ao aterramento de grande área.
10. Analise o caminho real e o modo da corrente que retorna ao solo.
11. Adote as regras de fiação corretas.