Tóm tắt: Thiết kế mạch PCB (Bảng mạch in) tín hiệu hỗn hợp rất phức tạp, trong đó cách bố trí các thành phần, định tuyến và xử lý nguồn điện cũng như đường dây nối đất ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất mạch và khả năng tương thích điện từ (EMC). Bài báo này giới thiệu một thiết kế phân vùng cho các nguồn cung cấp năng lượng và mặt đất có thể tối ưu hóa hiệu suất của các mạch tín hiệu hỗn hợp.

Làm thế nào chúng ta có thể giảm nhiễu lẫn nhau giữa tín hiệu số và tín hiệu analog? Trước khi thiết kế, điều quan trọng là phải hiểu hai nguyên tắc cơ bản của EMC: nguyên tắc thứ nhất là giảm thiểu diện tích vòng dây hiện tại càng nhiều càng tốt; nguyên tắc thứ hai là sử dụng một mặt phẳng tham chiếu duy nhất cho hệ thống. Ngược lại, nếu hệ thống có hai mặt phẳng tham chiếu, nó có thể tạo thành một ăng-ten lưỡng cực (lưu ý: bức xạ của ăng-ten lưỡng cực nhỏ tỷ lệ thuận với chiều dài của dây dẫn, cường độ dòng điện chạy qua chúng và tần số). Ngoài ra, nếu tín hiệu không thể quay trở lại qua các vòng nhỏ nhất có thể thì có thể hình thành một ăng-ten vòng lớn (lưu ý: bức xạ của ăng-ten vòng nhỏ tỷ lệ thuận với diện tích vòng, cường độ dòng điện chạy qua vòng và bình phương của tần số). Cả hai kịch bản nên tránh càng nhiều càng tốt trong thiết kế.

Một số đề xuất tách biệt nền tảng kỹ thuật số và analog trên bảng tín hiệu hỗn hợp để đạt được sự cách ly giữa chúng. Mặc dù cách tiếp cận này khả thi nhưng nó đặt ra nhiều vấn đề tiềm ẩn, đặc biệt là trong các hệ thống quy mô lớn, phức tạp. Vấn đề quan trọng nhất là không có khả năng định tuyến dây qua các khoảng trống bị chia cắt, vì làm như vậy có thể làm tăng đáng kể bức xạ điện từ và nhiễu xuyên âm tín hiệu. Vấn đề phổ biến nhất gặp phải trong thiết kế PCB là vấn đề EMI phát sinh từ các đường tín hiệu đi qua vùng đất phân chia hoặc nguồn điện.

Như được hiển thị trong Hình 1, chúng tôi áp dụng phương pháp phân đoạn đã nói ở trên và khi đường tín hiệu trải dài khoảng cách giữa hai mặt đất, đường trở về của dòng tín hiệu là gì? Giả sử hai đoạn nối đất được kết nối ở đâu đó (thường là tại một điểm duy nhất), trong trường hợp này, dòng điện nối đất sẽ tạo thành một vòng lớn. Dòng điện tần số cao chạy qua vòng lặp lớn này tạo ra bức xạ và độ tự cảm mặt đất cao. Nếu dòng điện analog mức thấp chạy qua vòng lặp lớn này, chúng dễ bị nhiễu tín hiệu bên ngoài. Trường hợp xấu nhất là khi các đoạn nối đất được nối với nguồn điện, tạo thành một vòng dòng điện cực lớn. Ngoài ra, kết nối mặt đất tương tự và kỹ thuật số thông qua một dây dài sẽ tạo ra ăng-ten lưỡng cực.

Hiểu đường đi và cách thức dòng điện quay trở lại mặt đất là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp. Nhiều kỹ sư thiết kế chỉ xem xét nơi dòng tín hiệu chạy mà bỏ qua đường dẫn cụ thể của dòng điện. Nếu việc phân đoạn mặt phẳng mặt đất là cần thiết và việc định tuyến phải đi qua khoảng cách giữa các phân đoạn, trước tiên hãy thiết lập kết nối một điểm giữa các mặt bằng được phân đoạn, tạo thành một cầu nối giữa chúng và sau đó định tuyến qua cây cầu này. Điều này đảm bảo đường trở lại dòng điện một chiều bên dưới mỗi đường tín hiệu, giảm thiểu diện tích vòng lặp.

Bộ cách ly quang học hoặc máy biến áp cũng có thể được sử dụng để cho phép tín hiệu vượt qua các khoảng trống được phân đoạn. Trong trường hợp trước, tín hiệu quang đi qua khe hở; sau này, từ trường làm được. Một lựa chọn khả thi khác là sử dụng tín hiệu vi sai, trong đó tín hiệu truyền vào một đường và quay trở lại qua một đường khác, loại bỏ nhu cầu sử dụng mặt đất làm đường quay trở lại.

Để đi sâu vào sự can thiệp của tín hiệu số lên tín hiệu tương tự, điều cần thiết là phải hiểu bản chất của dòng điện tần số cao. Dòng điện tần số cao luôn chọn đường đi có trở kháng nhỏ nhất (độ tự cảm thấp nhất), ngay bên dưới tín hiệu, do đó dòng điện trở lại chạy qua các lớp mạch liền kề, có thể là nguồn điện hoặc mặt phẳng đất.

Trong thực tế, người ta thường sử dụng một mặt đất thống nhất và phân chia PCB thành các phần tương tự và kỹ thuật số. Tín hiệu tương tự được định tuyến trong vùng tương tự trên tất cả các lớp PCB, trong khi tín hiệu số được định tuyến trong vùng kỹ thuật số. Điều này ngăn dòng điện trở lại kỹ thuật số chảy vào mặt đất tương tự.

Nhiễu từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự chỉ phát sinh khi tín hiệu số được định tuyến qua phần tương tự hoặc ngược lại. Nguyên nhân cốt lõi không phải là phân đoạn mặt đất mà là việc định tuyến tín hiệu số không đúng cách.

Việc áp dụng nền tảng thống nhất trong thiết kế PCB, phân vùng các mạch kỹ thuật số và analog cũng như định tuyến tín hiệu phù hợp thường giải quyết các thách thức về bố cục và định tuyến phức tạp mà không gây ra các vấn đề tiềm ẩn từ phân đoạn mặt đất. Trong trường hợp này, vị trí và phân vùng thành phần trở thành yếu tố then chốt đối với chất lượng thiết kế. Với cách bố trí và định tuyến phù hợp, dòng điện mặt đất kỹ thuật số được giới hạn trong phần kỹ thuật số, tránh nhiễu với tín hiệu analog. Việc định tuyến như vậy đòi hỏi phải kiểm tra và xác minh tỉ mỉ để đảm bảo tuân thủ 100% các quy tắc định tuyến. Nếu không, một đường tín hiệu bị định tuyến sai có thể làm hỏng một PCB tuyệt vời.

Khi kết nối các chân nối đất analog và kỹ thuật số của bộ chuyển đổi A/D, hầu hết các nhà sản xuất khuyên bạn nên kết nối các chân AGND và DGND với các dây dẫn ngắn nhất đến một mặt đất có trở kháng thấp duy nhất (lưu ý: hầu hết các chip chuyển đổi A/D không kết nối bên trong các chân analog và mặt đất kỹ thuật số, yêu cầu kết nối pin bên ngoài). Bất kỳ trở kháng bên ngoài nào được kết nối với DGND đều có thể ghép thêm nhiễu kỹ thuật số vào mạch tương tự bên trong của IC thông qua điện dung ký sinh. Theo khuyến nghị này, cả hai chân AGND và DGND của bộ chuyển đổi A/D phải được kết nối với mặt đất tương tự, nhưng điều này đặt ra câu hỏi về nơi nối đất của tụ tách rời cho tín hiệu số—với mặt đất tương tự hoặc kỹ thuật số.

Nếu hệ thống chỉ có một bộ chuyển đổi A/D thì giải pháp rất đơn giản. Như được hiển thị trong Hình 3, hãy tách mặt đất và kết nối các phần mặt đất tương tự và kỹ thuật số bên dưới bộ chuyển đổi A/D. Khi thực hiện phải đảm bảo cầu nối 2 mặt đất rộng bằng IC và không có đường tín hiệu nào vượt qua khe hở.

Nếu có nhiều bộ chuyển đổi A/D trong hệ thống, chẳng hạn như 10 bộ chuyển đổi A/D, làm thế nào để kết nối chúng? Nếu mặt đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số được kết nối với nhau trong mỗi bộ chuyển đổi A/D, điều đó sẽ dẫn đến nhiều điểm kết nối và việc cách ly giữa mặt đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số sẽ trở nên vô nghĩa. Nếu không kết nối theo cách này sẽ vi phạm yêu cầu của nhà sản xuất.
Cách tốt nhất là sử dụng một nền tảng thống nhất ngay từ đầu. Như được hiển thị trong Hình 4, mặt đất thống nhất được chia thành phần tương tự và phần kỹ thuật số. Cách bố trí và nối dây này không chỉ đáp ứng yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị IC về kết nối trở kháng thấp giữa các chân nối đất analog và kỹ thuật số mà còn không tạo ra ăng-ten vòng hoặc ăng-ten lưỡng cực có thể gây ra sự cố EMC.

Nếu bạn nghi ngờ về việc sử dụng phương pháp thống nhất cho thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp, bạn có thể sử dụng phương pháp phân đoạn lớp mặt đất để bố trí và định tuyến toàn bộ bảng mạch. Trong quá trình thiết kế, hãy chú ý làm cho bảng mạch dễ dàng kết nối với nhau hơn bằng cách sử dụng các jumper có khoảng cách dưới 1/2 inch hoặc điện trở 0 ohm trong các thí nghiệm sau này. Hãy chú ý đến việc phân vùng và định tuyến, đảm bảo rằng không có đường tín hiệu kỹ thuật số nào nằm phía trên phần tương tự trên tất cả các lớp và không có đường tín hiệu tương tự nào nằm phía trên phần kỹ thuật số. Hơn nữa, không có đường tín hiệu nào có thể vượt qua khoảng cách mặt đất hoặc phân chia khoảng cách giữa các nguồn điện. Để kiểm tra chức năng và hiệu suất EMC của bảng mạch, hãy kết nối hai điểm nối đất với nhau bằng điện trở hoặc dây nối 0 ohm và kiểm tra lại chức năng cũng như hiệu suất EMC của bảng mạch. So sánh kết quả thử nghiệm, người ta thấy rằng trong hầu hết các trường hợp, phương pháp thống nhất vượt trội hơn phương pháp chia nhỏ về chức năng và hiệu suất EMC.

#Phương pháp chia đất có còn hữu dụng?
Phương pháp này có thể được sử dụng trong ba trường hợp sau: một số thiết bị y tế yêu cầu dòng điện rò rỉ thấp giữa các mạch và hệ thống kết nối với bệnh nhân; đầu ra của một số thiết bị điều khiển quá trình công nghiệp có thể được kết nối với các thiết bị cơ điện có độ ồn cao và công suất lớn; một tình huống khác là khi bố cục của PCB phải chịu những hạn chế cụ thể.
Thường có các nguồn cung cấp năng lượng kỹ thuật số và analog riêng biệt trên bảng mạch PCB tín hiệu hỗn hợp, và có thể và nên sử dụng mặt phẳng nguồn phân chia. Tuy nhiên, các đường tín hiệu liền kề với mặt phẳng nguồn không thể vượt qua khoảng cách giữa các nguồn điện và tất cả các đường tín hiệu đi qua khoảng cách này phải nằm trên lớp mạch ngay sát mặt phẳng mặt đất lớn. Trong một số trường hợp, việc thiết kế nguồn điện analog với các đường kết nối PCB thay vì một mặt phẳng duy nhất có thể tránh được vấn đề chia tách mặt phẳng nguồn.

Thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp là một quá trình phức tạp và cần lưu ý những điểm sau trong quá trình thiết kế:

1. Chia PCB thành các phần analog và kỹ thuật số riêng biệt.
2. Bố trí hợp lý các thành phần.
3. Bộ chuyển đổi A/D được đặt trên phân vùng.
4. Không chia đất. Đặt các bộ phận analog và kỹ thuật số của bảng mạch đồng đều dưới mặt đất.
5. Trong tất cả các lớp của bảng mạch, tín hiệu số chỉ có thể được định tuyến trong phần kỹ thuật số của bảng mạch.
6. Trong tất cả các lớp của bảng mạch, tín hiệu analog chỉ có thể được định tuyến trong phần analog của bảng mạch.
7. Thực hiện phân chia nguồn điện analog và nguồn điện kỹ thuật số.
8. Hệ thống dây điện không thể vượt qua khoảng cách giữa các bề mặt cung cấp điện bị chia cắt.
9. Đường tín hiệu phải vượt qua khe hở giữa các bộ nguồn phân chia phải được đặt trên lớp dây ngay sát mặt đất diện tích lớn.
10. Phân tích đường đi và chế độ thực tế của dòng điện quay trở lại mặt đất.
11. Áp dụng các quy tắc nối dây chính xác.