Вопросы по размещению смешанных сигналов

Довольно часто конструкция печатной платы (PCB) содержит как аналоговую, так и цифровую части. Аналоговая секция обычно преобразует сигнал для оцифровки, а цифровая секция преобразует аналоговый сигнал в цифровой, а затем воздействует на теперь уже цифровой сигнал домена. Разделение этих двух блоков конструкции печатной платы очень важно для обеспечения целостности аналоговой схемы. Аналоговые схемы, как правило, очень чувствительны к шумовым сигналам, а цифровые схемы обычно очень сильно шумят. В этой статье мы попытаемся пролить свет на некоторые общие правила, позволяющие избежать проблем со смешанным расположением сигналов, и обсудим наилучший подход к изоляции аналоговой части схемы от ее цифровой копии.

Фон

В качестве краткого обзора важно обсудить обратный путь высокоскоростных сигналов переменного тока. При проверке обратного пути сигнала постоянного тока указанный путь будет просто путем наименьшего сопротивления обратно к исходному компоненту. Однако пути возврата сигнала переменного тока следуют пути наименьшего импеданса. Это означает, что токи обратного пути сигнала переменного тока остаются локализованными в области ниже трасс исходного сигнала. Исключением из этого правила является то, что когда вы разрываете заземляющий слой ниже высокоскоростного сигнала переменного тока, вы заставляете обратный ток для указанного сигнала создавать излучающую петлю. Такая петля является как источником, так и поглотителем излучаемого шума, и ее следует по возможности избегать. Этот краткий обзор должен напомнить читателю об одном из двух основных правил снижения EMI (электромагнитных помех):Держите обратные пути как можно ближе к исходным путям сигнала, чтобы избежать образования петель обратного тока. Другое основное правило уменьшения электромагнитных помех — убедиться, что вы используете только одну опорную плоскость. Если используются два, то печатная плата фактически станет дипольной антенной. Имея в руках этот краткий обзор, давайте перейдем к особенностям схемы смешанного сигнала.

Топологии смешанных сигналов

Довольно часто первое желание проектировщика состоит в том, чтобы просто отделить аналоговую часть платы от цифровой, используя аналоговую и цифровую схемы заземления. Проблема с такой схемой заключается в том, что при подключении цифровой и аналоговой стороны платы плата (как обсуждалось в предыдущем разделе) фактически становится дипольной антенной. Любая такая конструкция будет по своей природе чувствительна к электрическим помехам, а также сама по себе очень электрически шумна.

Другой распространенный подход к этой проблеме заключается в простом соединении аналогового и цифрового заземления в одной точке (довольно часто в конструкции используется отрицательная шина источника питания). Однако это очень плохое решение, так как любые дорожки, соединяющие цифровую и аналоговую стороны платы, теперь будут образовывать рамочную антенну через точку заземления, которая будет как излучаться от вашей конструкции, так и принимать электрический шум вашей конструкции. Кроме того, дорожки, соединяющие независимые заземляющие части платы, эффективно создают дипольную антенну. Оба эффекта создают очень шумный и восприимчивый к шуму дизайн.

Еще один распространенный (хотя и немного более эффективный) подход к проектированию платы смешанных сигналов - это конфигурация, в которой аналоговая и цифровая части платы напрямую соединены друг с другом посредством «моста». В то время как цифровая и аналоговая земли в такой схеме напрямую соединены друг с другом, все соединительные дорожки от аналоговой к цифровой стороне платы проложены над той частью платы, где соединены аналоговая и цифровая земли. Таким образом, высокоскоростные сигналы переменного тока, идущие между двумя цепями, будут иметь прямой обратный путь, но плоскости заземления все равно будут несколько разделены. Такая конфигурация мостового типа теоретически позволит цифровой стороне платы иметь ту же плоскость заземления, что и аналоговая сторона платы, но с некоторой дополнительной изоляцией, чем просто наличие двух частей платы, разделяющих непрерывную плоскость заземления. Хотя этот тип конфигурации обычно приводит к хорошей работе платы, зачем вообще использовать мост? Обратные токи высокоскоростного сигнала переменного тока по своей природе будут оставаться очень близко к своим исходным дорожкам, поэтому необходимости в мосте можно избежать, тщательно прокладывая цифровые сигналы.

Лучший и самый простой подход к завершению разводки смешанных сигналов — это просто разделить печатную плату на аналоговую и цифровую части. Затем эти два раздела могут иметь одну и ту же заземляющую пластину, которая будет состоять из медной заливки шириной печатной платы. Взаимных помех между двумя сторонами можно легко избежать, если не направлять высокоскоростные цифровые сигналы на аналоговую часть печатной платы.

Из этого следует, что в любой из этих конфигураций разделительной линией, по которой разделены разделы, будет логическое расположение аналого-цифрового преобразователя или преобразователей, используемых в конструкции печатной платы. Нередко аналого-цифровые преобразователи располагаются между изолированными аналоговыми и цифровыми заземляющими плоскостями, но, как обсуждалось, очень хорошим решением будет просто разместить аналого-цифровые преобразователи вдоль разделительной линии цифровой и аналоговой частей платы. где плата имеет одну непрерывную заземляющую пластину.

Наконец, стоит упомянуть и другие подходы к изоляции аналоговой части платы от цифровой. Нередко оптически соединяют цифровую часть платы с аналоговой с помощью оптических изоляторов. Таким образом, аналоговая и цифровая части платы фактически могут иметь свои собственные электрически изолированные заземляющие плоскости. Такая конфигурация также работает за счет изоляции двух частей печатной платы с помощью трансформатора, где две стороны платы магнитно связаны. Хотя оба подхода допустимы, они обычно зарезервированы для специальных приложений.

Общие правила

Вот краткое изложение общих правил компоновки печатной платы со смешанными сигналами:
• Начните с определения аналоговой и цифровой частей вашего проекта.
• Разделите печатную плату на аналоговую и цифровую части.
br />• Убедитесь, что цифровые и аналоговые компоненты назначены соответствующим разделам.
• Никогда не направляйте цифровые сигналы через аналоговую часть платы и никогда не направляйте аналоговые сигналы через цифровую часть платы.
• Размещайте аналого-цифровые преобразователи таким образом, чтобы они располагались на разделительной линии между аналоговой и цифровой частями платы.
• Использование единой сплошной заземляющей пластины дает наилучшие результаты с дополнительным преимуществом это самый простой подход.
• Если сигнальная дорожка должна быть проложена от аналогового к цифровому разделу, убедитесь, что она расположена полностью над заземляющим слоем платы.

Полезные ресурсы
• Метод подавления отражения сигнала при компоновке высокоскоростной печатной платы
• Проблемы проектирования высокоскоростной печатной платы, связанные с целостностью сигнала, и их решения
• Анализ целостности сигнала и проектирование печатной платы для высокоскоростной Цифро-аналоговая смешанная схема
• Контроль импеданса переходных отверстий и его влияние на целостность сигнала при проектировании печатных плат
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCBCart - Начните с 1 штуки