چکیده: طراحی مدارهای PCB سیگنال مختلط (برد مدار چاپی) پیچیده است، که در آن چیدمان اجزا، مسیریابی، و مدیریت منابع تغذیه و خطوط زمین به طور مستقیم بر عملکرد مدار و سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) تأثیر می‌گذارد. این مقاله یک طراحی منطقه بندی برای زمین و منابع تغذیه معرفی می کند که می تواند عملکرد مدارهای سیگنال مختلط را بهینه کند.

چگونه می توانیم تداخل متقابل سیگنال های دیجیتال و آنالوگ را کاهش دهیم؟ قبل از طراحی، درک دو اصل اساسی EMC بسیار مهم است: اصل اول این است که تا حد امکان مساحت حلقه های جریان را به حداقل برسانیم. اصل دوم استفاده از یک صفحه مرجع واحد برای سیستم است. برعکس، اگر سیستم دارای دو صفحه مرجع باشد، ممکن است یک آنتن دوقطبی تشکیل دهد (توجه داشته باشید: تابش یک آنتن دوقطبی کوچک با طول سیم‌ها، بزرگی جریان عبوری از آنها و فرکانس متناسب است). علاوه بر این، اگر سیگنال ها نتوانند از طریق کوچکترین حلقه های ممکن برگردند، ممکن است یک آنتن حلقه بزرگ تشکیل شود (توجه داشته باشید: تابش یک آنتن حلقه کوچک متناسب با مساحت حلقه، بزرگی جریان عبوری از حلقه و مربع است. فرکانس). در طراحی تا حد امکان باید از هر دو سناریو اجتناب شود.

برخی پیشنهاد می‌کنند که پایه‌های دیجیتال و آنالوگ را بر روی بردهای سیگنال مختلط جدا کنید تا بین آنها جداسازی شود. در حالی که این رویکرد امکان پذیر است، مسائل بالقوه متعددی را به خصوص در سیستم های پیچیده و در مقیاس بزرگ ایجاد می کند. بحرانی ترین مسئله ناتوانی در مسیریابی سیم ها در میان شکاف های شکاف است، زیرا انجام این کار می تواند تابش الکترومغناطیسی و تداخل سیگنال را به طور چشمگیری افزایش دهد. رایج ترین مشکلی که در طراحی PCB با آن مواجه می شود، مشکلات EMI ناشی از عبور خطوط سیگنال از روی زمین های تقسیم شده یا منابع تغذیه است.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ما از روش تقسیم بندی فوق استفاده می کنیم، و زمانی که خط سیگنال از شکاف بین دو زمین می گذرد، مسیر برگشت برای جریان سیگنال چیست؟ با فرض اینکه دو زمین تقسیم شده در جایی (معمولاً در یک نقطه) به هم متصل شده باشند، در این حالت، جریان زمین یک حلقه بزرگ را تشکیل می دهد. جریان‌های فرکانس بالا که از این حلقه بزرگ عبور می‌کنند، تشعشع و اندوکتانس بالای زمین ایجاد می‌کنند. اگر جریان های آنالوگ سطح پایین از این حلقه بزرگ عبور کنند، مستعد تداخل سیگنال خارجی هستند. بدترین سناریو زمانی است که زمین های تقسیم شده در منبع تغذیه وصل شده و یک حلقه جریان بسیار بزرگ را تشکیل می دهند. علاوه بر این، اتصال زمین های آنالوگ و دیجیتال از طریق یک سیم بلند، یک آنتن دوقطبی ایجاد می کند.

درک مسیر و نحوه بازگشت جریان به زمین برای بهینه سازی طراحی PCB سیگنال مختلط بسیار مهم است. بسیاری از مهندسین طراح صرفاً در نظر می گیرند که جریان سیگنال کجا جریان می یابد و از مسیر جریان خاص غفلت می کند. اگر تقسیم‌بندی صفحه زمین ضروری است و مسیریابی باید شکاف بین بخش‌ها را طی کند، ابتدا یک اتصال تک نقطه‌ای بین زمین‌های قطعه‌بندی شده ایجاد کنید، یک پل بین آن‌ها تشکیل دهید و سپس از این پل عبور کنید. این یک مسیر برگشت جریان مستقیم را در زیر هر خط سیگنال تضمین می کند و ناحیه حلقه را به حداقل می رساند.

جداکننده های نوری یا ترانسفورماتورها نیز می توانند برای فعال کردن سیگنال ها برای عبور از شکاف های قطعه بندی شده استفاده شوند. در مورد اول، سیگنال های نوری از شکاف عبور می کنند. در مورد دوم، میدان های مغناطیسی انجام می دهند. یکی دیگر از گزینه های قابل اجرا استفاده از سیگنال های دیفرانسیل است، که در آن سیگنال به یک خط جریان می یابد و از طریق خط دیگر باز می گردد و نیاز به زمین به عنوان مسیر برگشت را از بین می برد.

برای بررسی تداخل سیگنال های دیجیتال در سیگنال های آنالوگ، درک ماهیت جریان های فرکانس بالا ضروری است. جریان های فرکانس بالا همیشه مسیر کمترین امپدانس (کمترین اندوکتانس) را مستقیماً زیر سیگنال انتخاب می کنند، بنابراین جریان های برگشتی از لایه های مدار مجاور جریان می یابند، اعم از قدرت یا زمین.

در عمل، استفاده از زمین یکپارچه و تقسیم PCB به بخش های آنالوگ و دیجیتال رایج است. سیگنال های آنالوگ در داخل منطقه آنالوگ در تمام لایه های PCB هدایت می شوند، در حالی که سیگنال های دیجیتال در ناحیه دیجیتال هدایت می شوند. این مانع از جریان برگشتی دیجیتال به زمین آنالوگ می شود.

تداخل سیگنال‌های دیجیتال به سیگنال‌های آنالوگ تنها زمانی ایجاد می‌شود که سیگنال‌های دیجیتال روی بخش آنالوگ یا بالعکس هدایت شوند. علت اصلی، تقسیم‌بندی زمین نیست، بلکه مسیریابی نامناسب سیگنال‌های دیجیتال است.

اتخاذ یک زمین یکپارچه در طراحی PCB، پارتیشن بندی مدارهای دیجیتال و آنالوگ، و مسیریابی سیگنال مناسب اغلب چالش های طرح بندی و مسیریابی پیچیده را بدون معرفی مسائل بالقوه از تقسیم بندی زمین حل می کند. در این مورد، قرار دادن اجزا و پارتیشن بندی برای کیفیت طراحی بسیار مهم است. با چیدمان و مسیریابی مناسب، جریان های زمین دیجیتال به بخش دیجیتال محدود می شوند و از تداخل با سیگنال های آنالوگ جلوگیری می کنند. چنین مسیریابی نیاز به بازرسی و تأیید دقیق دارد تا از انطباق 100٪ با قوانین مسیریابی اطمینان حاصل شود. در غیر این صورت، یک خط سیگنال اشتباه می تواند یک PCB عالی را خراب کند.

هنگام اتصال پایه‌های زمین آنالوگ و دیجیتال مبدل A/D، اکثر سازندگان توصیه می‌کنند که پایه‌های AGND و DGND را با کوتاه‌ترین سیم‌ها به یک زمین با امپدانس کم وصل کنید (توجه داشته باشید: بیشتر تراشه‌های مبدل A/D به صورت داخلی آنالوگ وصل نمی‌شوند و زمینه های دیجیتال، نیاز به اتصالات پین خارجی). هر امپدانس خارجی متصل به DGND می تواند نویز دیجیتال بیشتری را از طریق خازن انگلی وارد مدار آنالوگ داخلی آی سی کند. به دنبال این توصیه، هر دو پایه AGND و DGND مبدل A/D باید به زمین آنالوگ وصل شوند، اما این سؤال را در مورد محل اتصال خازن‌های جداکننده سیگنال‌های دیجیتال به زمین آنالوگ یا دیجیتال ایجاد می‌کند.

اگر سیستم فقط یک مبدل A/D داشته باشد، راه حل ساده است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، زمین را شکافته و بخش های زمین آنالوگ و دیجیتال را در زیر مبدل A/D وصل کنید. هنگام انجام این کار، اطمینان حاصل کنید که پل اتصال دو زمین به اندازه آی سی پهن است و هیچ خط سیگنالی از شکاف عبور نمی کند.

اگر مبدل های A/D زیادی در سیستم وجود دارد، مانند 10 مبدل A/D، چگونه آنها را متصل کنیم؟ اگر زمین آنالوگ و زمین دیجیتال زیر هر مبدل A/D به یکدیگر متصل شوند، چندین نقطه اتصال ایجاد می شود و ایزوله بین زمین آنالوگ و زمین دیجیتال بی معنی خواهد بود. در صورت عدم اتصال به این روش، الزامات سازنده را نقض می کند.
بهترین راه این است که در ابتدا از یک زمین یکپارچه استفاده کنید. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، زمین یکپارچه به یک قسمت آنالوگ و یک قسمت دیجیتال تقسیم می شود. این چیدمان و سیم کشی نه تنها الزامات سازندگان دستگاه های آی سی را برای اتصالات کم امپدانس بین پایه های زمین آنالوگ و دیجیتال برآورده می کند، بلکه آنتن های حلقه ای یا آنتن های دوقطبی ایجاد نمی کند که می تواند باعث مشکلات EMC شود.

اگر در مورد استفاده از یک رویکرد یکپارچه برای طراحی PCB سیگنال مختلط شک دارید، می توانید از روش تقسیم بندی لایه زمین برای چیدمان و مسیریابی کل برد مدار استفاده کنید. در حین طراحی، به سهولت اتصال برد مدار به یکدیگر با استفاده از جامپرهایی با فاصله کمتر از 1/2 اینچ یا مقاومت 0 اهم در آزمایشات بعدی توجه کنید. به پارتیشن بندی و مسیریابی توجه کنید و اطمینان حاصل کنید که هیچ خط سیگنال دیجیتال بالای قسمت آنالوگ در تمام لایه ها قرار نگرفته است و هیچ خط سیگنال آنالوگ بالای قسمت دیجیتال قرار ندارد. علاوه بر این، هیچ خط سیگنالی نمی تواند از شکاف زمین عبور کند یا شکاف را بین منابع تغذیه تقسیم کند. برای تست عملکرد و عملکرد EMC برد مدار، دو پایه را با استفاده از یک مقاومت یا جامپر 0 اهم به هم متصل کنید و عملکرد و عملکرد EMC برد مدار را مجددا تست کنید. با مقایسه نتایج آزمایش، مشخص خواهد شد که تقریباً در همه موارد، رویکرد یکپارچه از نظر عملکرد و عملکرد EMC بر رویکرد تقسیم شده برتری دارد.

#آیا روش تقسیم زمین همچنان مفید است؟
این روش در سه حالت زیر قابل استفاده است: برخی تجهیزات پزشکی نیاز به جریان نشتی کم بین مدارها و سیستم های متصل به بیمار دارند. خروجی برخی از تجهیزات کنترل فرآیند صنعتی ممکن است به دستگاه های الکترومکانیکی با نویز بالا و توان بالا متصل شود. وضعیت دیگر زمانی است که چیدمان PCB تحت محدودیت های خاصی قرار دارد.
معمولاً منابع تغذیه دیجیتال و آنالوگ جداگانه بر روی بردهای PCB سیگنال مختلط وجود دارد و می توان و باید از هواپیمای اسپلیت قدرت استفاده کرد. با این حال، خطوط سیگنالی که بلافاصله در مجاورت صفحه قدرت هستند، نمی توانند از شکاف بین منابع تغذیه عبور کنند و تمام خطوط سیگنالی که از این شکاف عبور می کنند باید روی لایه مدار بلافاصله مجاور صفحه زمین بزرگ قرار گیرند. در برخی موارد، طراحی منبع تغذیه آنالوگ با خطوط اتصال PCB به جای یک صفحه می تواند از مشکل تقسیم صفحه قدرت جلوگیری کند.

طراحی PCB سیگنال مختلط فرآیند پیچیده ای است و نکات زیر باید در طول فرآیند طراحی مورد توجه قرار گیرد:

1. PCB را به دو بخش آنالوگ و دیجیتال جداگانه تقسیم کنید.
2. چیدمان مناسب اجزاء
3. مبدل های A/D در سراسر پارتیشن قرار می گیرند.
4. زمین را تقسیم نکنید. قسمت های آنالوگ و دیجیتال برد مدار را به طور یکنواخت زیر زمین قرار دهید.
5. در تمام لایه های برد مدار، سیگنال های دیجیتال فقط در قسمت دیجیتال برد قابل هدایت هستند.
6. در تمام لایه های برد مدار، سیگنال های آنالوگ فقط در قسمت آنالوگ برد قابل هدایت هستند.
7. اجرای تقسیم بندی منابع برق آنالوگ و دیجیتال.
8. سیم کشی نمی تواند از شکاف بین سطوح تقسیم شده منبع تغذیه عبور کند.
9. خط سیگنالی که باید از شکاف بین منابع تغذیه تقسیم شود باید روی لایه سیم کشی بلافاصله در مجاورت زمین بزرگ قرار گیرد.
10. مسیر واقعی و حالت جریان برگشتی به زمین را تجزیه و تحلیل کنید.
11. قوانین سیم کشی صحیح را اتخاذ کنید.