Аннотация: Проектирование схем печатных плат (печатных плат) со смешанными сигналами является сложным, где расположение компонентов, маршрутизация и обращение с источниками питания и линиями заземления напрямую влияют на производительность схемы и электромагнитную совместимость (ЭМС). В этом документе представлена ​​схема зонирования заземления и источников питания, которая может оптимизировать работу схем со смешанными сигналами.

Как мы можем уменьшить взаимные помехи между цифровыми и аналоговыми сигналами? Перед проектированием крайне важно понять два фундаментальных принципа ЭМС: первый принцип — максимально минимизировать площадь токовых петель; второй принцип заключается в использовании единой базовой плоскости для системы. И наоборот, если система имеет две опорные плоскости, она может образовывать дипольную антенну (обратите внимание: излучение небольшой дипольной антенны пропорционально длине проводов, величине тока, протекающего через них, и частоте). Кроме того, если сигналы не могут вернуться через наименьшие возможные петли, может быть сформирована большая рамочная антенна (обратите внимание: излучение маленькой рамочной антенны пропорционально площади петли, величине тока, протекающего через петлю, и квадрату Частота). Оба сценария следует избегать, насколько это возможно, при проектировании.

Некоторые предлагают разделить цифровые и аналоговые заземления на платах смешанных сигналов, чтобы добиться изоляции между ними. Хотя этот подход осуществим, он создает множество потенциальных проблем, особенно в сложных, крупномасштабных системах. Наиболее критичной проблемой является невозможность проложить провода через разделенные зазоры, поскольку это может значительно увеличить электромагнитное излучение и перекрестные помехи. Наиболее распространенной проблемой, возникающей при проектировании печатных плат, являются проблемы с электромагнитными помехами, возникающие из-за пересечения сигнальных линий через разделенные заземления или источники питания.

Как показано на рисунке 1, мы применяем вышеупомянутый метод сегментации, и когда сигнальная линия пересекает зазор между двумя землями, каков обратный путь для тока сигнала? Если предположить, что два сегментированных заземления где-то соединены (обычно в одной точке), то в этом случае ток земли будет образовывать большую петлю. Высокочастотные токи, протекающие через эту большую петлю, генерируют излучение и высокую индуктивность заземления. Если через эту большую петлю протекают аналоговые токи низкого уровня, они чувствительны к внешним помехам. Худший сценарий — когда сегментированные земли подключаются к источнику питания, образуя чрезвычайно большую токовую петлю. Кроме того, соединение аналоговых и цифровых заземлений длинным проводом создает дипольную антенну.

Понимание пути и способа возврата тока на землю имеет решающее значение для оптимизации конструкции печатной платы со смешанными сигналами. Многие инженеры-проектировщики учитывают только то, куда течет сигнальный ток, игнорируя конкретный путь тока. Если необходима сегментация заземляющей плоскости и трассировка должна проходить через зазор между сегментами, сначала установите одноточечное соединение между сегментированными заземлениями, образуя мост между ними, а затем прокладывайте трассу через этот мост. Это обеспечивает обратный путь постоянного тока под каждой сигнальной линией, сводя к минимуму площадь контура.

Оптические изоляторы или трансформаторы также могут использоваться для обеспечения прохождения сигналов через сегментированные промежутки. В первом случае оптические сигналы проходят через зазор; в последнем случае действуют магнитные поля. Другой жизнеспособный вариант — использование дифференциальных сигналов, когда сигнал поступает в одну линию и возвращается через другую, что устраняет необходимость в заземлении в качестве обратного пути.

Чтобы разобраться в интерференции цифровых сигналов с аналоговыми, важно понимать природу высокочастотных токов. Высокочастотные токи всегда выбирают путь наименьшего импеданса (наименьшей индуктивности), непосредственно под сигналом, поэтому обратные токи протекают через соседние слои схемы, будь то силовые или заземляющие слои.

На практике принято использовать единое заземление и разделить печатную плату на аналоговую и цифровую части. Аналоговые сигналы направляются в аналоговой области на всех уровнях печатной платы, а цифровые сигналы — в цифровой области. Это предотвращает попадание цифровых обратных токов в аналоговую землю.

Помехи от цифровых сигналов к аналоговым сигналам возникают только тогда, когда цифровые сигналы передаются через аналоговую секцию или наоборот. Основная причина заключается не в сегментации земли, а в неправильной маршрутизации цифровых сигналов.

Принятие единого заземления при проектировании печатной платы, разделение цифровых и аналоговых цепей и соответствующая маршрутизация сигналов часто решают сложные проблемы компоновки и маршрутизации, не создавая потенциальных проблем, связанных с сегментацией заземления. В этом случае размещение и разделение компонентов становятся решающими для качества проектирования. При правильной компоновке и маршрутизации цифровые токи заземления ограничиваются цифровой секцией, что позволяет избежать помех аналоговым сигналам. Такая маршрутизация требует тщательной проверки и проверки для обеспечения 100% соблюдения правил маршрутизации. В противном случае одна неправильно проложенная сигнальная линия может испортить отличную печатную плату.

При подключении аналоговых и цифровых заземляющих контактов аналого-цифрового преобразователя большинство производителей рекомендуют подключать контакты AGND и DGND самыми короткими выводами к одной земле с низким импедансом (примечание: большинство микросхем аналого-цифровых преобразователей не соединяют аналоговые и цифровые преобразователи внутри). цифровые заземления, что требует подключения внешних контактов). Любой внешний импеданс, подключенный к DGND, может вводить больше цифрового шума во внутреннюю аналоговую схему микросхемы через паразитную емкость. Следуя этой рекомендации, выводы AGND и DGND аналого-цифрового преобразователя должны быть подключены к аналоговой земле, но при этом возникают вопросы о том, где заземлять развязывающие конденсаторы для цифровых сигналов — на аналоговую или цифровую землю.

Если в системе имеется только один аналого-цифровой преобразователь, решение простое. Как показано на рисунке 3, разделите землю и соедините аналоговую и цифровую секции заземления под АЦП. При этом убедитесь, что мост, соединяющий два заземления, имеет такую ​​же ширину, как и IC, и никакие сигнальные линии не пересекают зазор.

Если в системе много аналого-цифровых преобразователей, например 10 аналого-цифровых преобразователей, как их подключить? Если аналоговая и цифровая земля соединены вместе под каждым аналого-цифровым преобразователем, это приведет к появлению нескольких точек соединения, и изоляция между аналоговой и цифровой землей будет бессмысленной. Если подключение выполнено не таким образом, это нарушит требования производителя.
Лучший способ — использовать единую площадку в начале. Как показано на рисунке 4, единая земля разделена на аналоговую и цифровую части. Такая компоновка и разводка не только соответствуют требованиям производителей ИС-устройств к низкоомным соединениям между аналоговыми и цифровыми заземляющими контактами, но также не создают рамочных или дипольных антенн, которые могут вызвать проблемы с ЭМС.

Если у вас есть сомнения по поводу использования унифицированного подхода к проектированию печатной платы со смешанными сигналами, вы можете использовать метод сегментации нулевого слоя для компоновки и трассировки всей печатной платы. При проектировании обратите внимание на то, чтобы облегчить соединение печатных плат с помощью перемычек с расстоянием менее 1/2 дюйма или резисторов сопротивлением 0 Ом во время последующих экспериментов. Обратите внимание на разделение и маршрутизацию, следя за тем, чтобы ни одна линия цифрового сигнала не располагалась над аналоговой частью на всех уровнях, а линии аналогового сигнала не располагались над цифровой частью. Более того, ни одна сигнальная линия не может пересекать заземляющий зазор или разделять зазор между источниками питания. Чтобы проверить работу и характеристики ЭМС печатной платы, соедините два заземления вместе с помощью резистора или перемычки сопротивлением 0 Ом и повторно проверьте работу и характеристики ЭМС печатной платы. Сравнивая результаты испытаний, можно обнаружить, что почти во всех случаях унифицированный подход превосходит разделенный подход с точки зрения функций и характеристик ЭМС.

#Метод раздела земли еще полезен?
Этот метод можно использовать в следующих трех ситуациях: для некоторого медицинского оборудования требуется низкий ток утечки между цепями и системами, подключенными к пациенту; выход некоторых средств управления производственными процессами может быть подключен к электромеханическим устройствам с повышенным шумом и большой мощностью; Другая ситуация — когда на компоновку печатной платы накладываются определенные ограничения.
Обычно на печатных платах со смешанными сигналами имеются отдельные цифровые и аналоговые источники питания, и можно и нужно использовать разделенную плоскость питания. Однако сигнальные линии, которые непосредственно примыкают к плоскости питания, не могут пересекать зазор между источниками питания, и все сигнальные линии, пересекающие этот зазор, должны быть расположены на слое схемы, непосредственно примыкающем к большой плоскости заземления. В некоторых случаях разработка аналогового источника питания с соединительными линиями печатной платы, а не с одной плоскостью, позволяет избежать проблемы разделения плоскости питания.

Проектирование печатной платы со смешанными сигналами представляет собой сложный процесс, и в процессе проектирования следует учитывать следующие моменты:

1. Разделите печатную плату на отдельные аналоговую и цифровую части.
2. Правильная компоновка компонентов.
3. Аналого-цифровые преобразователи размещаются поперек раздела.
4. Не делите землю. Положите аналоговую и цифровую части платы равномерно под землю.
5. На всех уровнях печатной платы цифровые сигналы могут передаваться только в цифровой части платы.
6. На всех уровнях печатной платы аналоговые сигналы могут передаваться только в аналоговой части платы.
7. Реализовать разделение аналоговых и цифровых источников питания.
8. Проводка не может пересекать зазор между разделенными поверхностями источника питания.
9. Сигнальная линия, которая должна пересекать зазор между разделенными источниками питания, должна располагаться на слое проводки, непосредственно примыкающем к заземлению большой площади.
10. Проанализируйте фактический путь и режим тока, текущего обратно на землю.
11. Примите правильные правила проводки.