Özet: Karışık sinyalli PCB (Baskılı Devre Kartı) devrelerinin tasarımı, bileşenlerin düzeninin, yönlendirmenin ve güç kaynaklarının ve toprak hatlarının kullanılmasının devre performansını ve elektromanyetik uyumluluğu (EMC) doğrudan etkilediği karmaşıktır. Bu belgede, karışık sinyal devrelerinin performansını optimize edebilecek toprak ve güç kaynakları için bir bölgeleme tasarımı tanıtılmaktadır.

Dijital ve analog sinyaller arasındaki karşılıklı girişimi nasıl azaltabiliriz? Tasarımdan önce EMC'nin iki temel ilkesini anlamak çok önemlidir: İlk ilke, mevcut döngülerin alanını mümkün olduğu kadar en aza indirmektir; ikinci prensip ise sistem için tek bir referans düzlemi kullanmaktır. Tersine, eğer sistem iki referans düzlemine sahipse, bir çift kutuplu anten oluşturabilir (not: küçük bir çift kutuplu antenin radyasyonu, kabloların uzunluğu, içinden akan akımın büyüklüğü ve frekansla orantılıdır). Ek olarak, eğer sinyaller mümkün olan en küçük döngülerden geri dönemezse, büyük bir döngü anteni oluşturulabilir (not: küçük bir döngü anteninin radyasyonu, döngü alanıyla, döngüden akan akımın büyüklüğüyle ve döngünün karesiyle orantılıdır). frekans). Tasarımda her iki senaryodan da mümkün olduğunca kaçınılmalıdır.

Bazıları, aralarında izolasyon sağlamak için karışık sinyalli kartlarda dijital ve analog zeminlerin ayrılmasını öneriyor. Bu yaklaşım mümkün olsa da, özellikle karmaşık, büyük ölçekli sistemlerde çok sayıda potansiyel soruna yol açmaktadır. En kritik sorun, kabloların bölünmüş boşluklar boyunca yönlendirilememesidir; çünkü bunu yapmak, elektromanyetik radyasyonu ve sinyal karışmasını önemli ölçüde artırabilir. PCB tasarımında karşılaşılan en yaygın sorun, sinyal hatlarının bölünmüş topraklar veya güç kaynakları üzerinden geçmesinden kaynaklanan EMI sorunlarıdır.

Şekil 1'de gösterildiği gibi yukarıda bahsedilen segmentasyon yöntemini benimsiyoruz ve sinyal hattı iki toprak arasındaki boşluğu geçtiğinde sinyal akımının dönüş yolu nedir? İki parçalı toprakların bir yere (genellikle tek bir noktaya) bağlandığını varsayarsak, bu durumda toprak akımı büyük bir döngü oluşturacaktır. Bu büyük döngüden geçen yüksek frekanslı akımlar radyasyon ve yüksek toprak endüktansı üretir. Düşük seviyeli analog akımlar bu büyük döngüden akarsa, harici sinyal girişimine karşı hassastırlar. En kötü senaryo, bölümlü toprakların güç kaynağına bağlanması ve son derece büyük bir akım döngüsü oluşturmasıdır. Ek olarak, analog ve dijital toprakları uzun bir kabloyla bağlamak, çift kutuplu bir anten oluşturur.

Akımın toprağa dönüş yolunu ve şeklini anlamak, karışık sinyalli PCB tasarımını optimize etmek için çok önemlidir. Birçok tasarım mühendisi, belirli akım yolunu göz ardı ederek yalnızca sinyal akımının nereden aktığını düşünür. Zemin düzlemi bölümlendirmesi gerekliyse ve yönlendirmenin bölümler arasındaki boşluğu geçmesi gerekiyorsa, önce bölümlere ayrılmış zeminler arasında tek noktalı bir bağlantı kurarak aralarında bir köprü oluşturun ve ardından bu köprünün içinden geçin. Bu, her sinyal hattının altında bir doğru akım dönüş yolu sağlayarak döngü alanını en aza indirir.

Sinyallerin bölümlenmiş boşluklardan geçmesini sağlamak için optik izolatörler veya transformatörler de kullanılabilir. İlk durumda, optik sinyaller boşluğu kateder; ikincisinde manyetik alanlar bunu yapar. Başka bir uygulanabilir seçenek, sinyalin bir hatta aktığı ve diğerinden geri döndüğü, dönüş yolu olarak toprak ihtiyacını ortadan kaldıran diferansiyel sinyallerin kullanılmasıdır.

Dijital sinyallerin analog sinyaller üzerindeki girişimini araştırmak için yüksek frekanslı akımların doğasını anlamak önemlidir. Yüksek frekanslı akımlar her zaman doğrudan sinyalin altındaki en düşük empedanslı (en düşük endüktanslı) yolu seçer, dolayısıyla geri dönüş akımları, ister güç ister toprak düzlemleri olsun, bitişik devre katmanları boyunca akar.

Uygulamada, birleşik bir toprak kullanmak ve PCB'yi analog ve dijital bölümlere ayırmak yaygındır. Analog sinyaller tüm PCB katmanlarındaki analog alan içerisinde yönlendirilirken, dijital sinyaller dijital alan içerisinde yönlendirilir. Bu, dijital dönüş akımlarının analog toprağa akmasını önler.

Dijital sinyallerden analog sinyallere girişim, yalnızca dijital sinyaller analog bölüm üzerinden yönlendirildiğinde veya tam tersi olduğunda ortaya çıkar. Temel neden toprak bölümlemesi değil, dijital sinyallerin yanlış yönlendirilmesidir.

PCB tasarımında birleşik bir zeminin benimsenmesi, dijital ve analog devrelerin bölümlenmesi ve uygun sinyal yönlendirmesi, çoğu zaman karmaşık düzen ve yönlendirme zorluklarını, toprak bölümlemesinden kaynaklanan potansiyel sorunlara yol açmadan çözer. Bu durumda bileşen yerleştirme ve bölümleme, tasarım kalitesi açısından çok önemli hale gelir. Uygun düzen ve yönlendirmeyle dijital toprak akımları dijital bölümle sınırlandırılır ve analog sinyallerle etkileşim önlenir. Bu tür bir yönlendirme, yönlendirme kurallarına %100 uyum sağlamak için titiz bir inceleme ve doğrulama gerektirir. Aksi takdirde, yanlış yönlendirilmiş tek bir sinyal hattı, mükemmel bir PCB'yi bozabilir.

Bir A/D dönüştürücünün analog ve dijital toprak pinlerini bağlarken çoğu üretici, AGND ve DGND pinlerini en kısa uçlarla tek bir düşük empedanslı toprağa bağlamanızı önerir (not: çoğu A/D dönüştürücü yongası analog ve DGND dahili olarak bağlanmaz) dijital topraklamalar, harici pin bağlantıları gerektirir). DGND'ye bağlanan herhangi bir harici empedans, parazitik kapasitans yoluyla IC'nin dahili analog devresine daha fazla dijital gürültü bağlayabilir. Bu öneriye göre, A/D dönüştürücünün hem AGND hem de DGND pinleri analog toprağa bağlanmalıdır, ancak bu, dijital sinyaller için dekuplaj kapasitörlerinin analog veya dijital toprağa nerede topraklanacağı konusunda soruları gündeme getirir.

Sistemde yalnızca bir A/D dönüştürücü varsa çözüm basittir. Şekil 3'te gösterildiği gibi toprağı ayırın ve analog ve dijital toprak bölümlerini A/D dönüştürücünün altına bağlayın. Bunu yaparken, iki toprağı birbirine bağlayan köprünün IC kadar geniş olduğundan ve hiçbir sinyal hattının aradan geçmediğinden emin olun.

Sistemde çok sayıda A/D dönüştürücü varsa, örneğin 10 adet A/D dönüştürücü varsa, bunları nasıl bağlayacağız? Her A/D dönüştürücünün altında analog toprak ve dijital toprak birbirine bağlanırsa, bu birden fazla bağlantı noktasıyla sonuçlanacak ve analog toprak ile dijital toprak arasındaki izolasyon anlamsız olacaktır. Bu şekilde bağlanmazsa üreticinin gerekliliklerini ihlal etmiş olursunuz.
En iyi yol başlangıçta birleşik bir zemin kullanmaktır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, birleşik toprak bir analog parçaya ve bir dijital parçaya bölünmüştür. Bu düzen ve kablolama, yalnızca IC cihazı üreticilerinin analog ve dijital toprak pinleri arasındaki düşük empedanslı bağlantılara yönelik gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda EMC sorunlarına neden olabilecek döngü antenleri veya çift kutuplu antenler oluşturmaz.

Karışık sinyalli PCB tasarımı için birleşik bir yaklaşım kullanma konusunda şüpheleriniz varsa, tüm devre kartını yerleştirmek ve yönlendirmek için toprak katmanı bölümlendirme yöntemini kullanabilirsiniz. Tasarım sırasında, daha sonraki deneylerde devre kartının 1/2 inçten daha az aralıklı veya 0 ohm direnç aralıklı jumperlar kullanılarak birbirine bağlanmasını kolaylaştırmaya dikkat edin. Tüm katmanlarda analog parçanın üzerinde dijital sinyal hattı bulunmadığından ve dijital parçanın üzerinde analog sinyal hattı bulunmadığından emin olarak bölümlendirme ve yönlendirmeye dikkat edin. Üstelik hiçbir sinyal hattı toprak boşluğunu geçemez veya güç kaynakları arasındaki boşluğu bölemez. Devre kartının işlevini ve EMC performansını test etmek için, 0 ohm'luk bir direnç veya atlama kablosu kullanarak iki toprağı birbirine bağlayın ve devre kartının işlevini ve EMC performansını yeniden test edin. Test sonuçları karşılaştırıldığında, neredeyse tüm durumlarda birleşik yaklaşımın, işlev ve EMC performansı açısından bölünmüş yaklaşımdan daha üstün olduğu görülecektir.

#Arazi bölme yöntemi hâlâ işe yarar mı?
Bu yöntem aşağıdaki üç durumda kullanılabilir: Bazı tıbbi ekipmanlar, hastaya bağlı devreler ve sistemler arasında düşük kaçak akım gerektirir; bazı endüstriyel proses kontrol ekipmanlarının çıkışı, yüksek gürültü ve yüksek güce sahip elektromekanik cihazlara bağlanabilir; diğer bir durum ise PCB düzeninin belirli kısıtlamalara tabi olmasıdır.
Karışık sinyalli PCB kartlarında genellikle ayrı dijital ve analog güç kaynakları bulunur ve bölünmüş bir güç düzlemi kullanmak mümkün olabilir ve mümkün olmalıdır. Ancak güç düzleminin hemen bitişiğindeki sinyal hatları, güç kaynakları arasındaki boşluğu geçemez ve bu boşluğu geçen tüm sinyal hatlarının, büyük yer düzleminin hemen yanındaki devre katmanında konumlandırılması gerekir. Bazı durumlarda analog güç kaynağının tek bir düzlem yerine PCB bağlantı hatlarıyla tasarlanması, güç düzleminin bölünmesi sorununu önleyebilir.

Karışık sinyalli PCB tasarımı karmaşık bir süreçtir ve tasarım sürecinde aşağıdaki noktalara dikkat edilmelidir:

1. PCB'yi ayrı analog ve dijital bölümlere ayırın.
2. Bileşenlerin doğru yerleşimi.
3. A/D dönüştürücüler bölüm boyunca yerleştirilir.
4. Zemini bölmeyin. Devre kartının analog ve dijital parçalarını zeminin altına eşit şekilde yerleştirin.
5. Devre kartının tüm katmanlarında dijital sinyaller yalnızca kartın dijital kısmına yönlendirilebilir.
6. Devre kartının tüm katmanlarında analog sinyaller yalnızca kartın analog kısmına yönlendirilebilir.
7. Analog ve dijital güç kaynaklarının bölünmesini uygulayın.
8. Kablolar bölünmüş güç kaynağı yüzeyleri arasındaki boşluğu geçemez.
9. Bölünmüş güç kaynakları arasındaki boşluğu geçmesi gereken sinyal hattı, geniş alan topraklamasının hemen yanındaki kablolama katmanında bulunmalıdır.
10. Yere geri akan akımın gerçek yolunu ve modunu analiz edin.
11. Doğru kablolama kurallarını benimseyin.