Overwegingen voor gemengde signaallay-out

Heel vaak zal een ontwerp van een printplaat (PCB) zowel een analoog gedeelte als een digitaal gedeelte bevatten. De analoge sectie conditioneert typisch een signaal voor digitalisering en de digitale sectie converteert het analoge signaal naar een digitaal signaal en werkt vervolgens op het nu digitale domeinsignaal. Het scheiden van deze twee blokken van een PCB-ontwerp is erg belangrijk om de integriteit van het analoge circuit te verzekeren. Analoge circuits zijn typisch zeer gevoelig voor ruissignalen en digitale circuits zijn typisch zeer elektrisch lawaaierig. Dit artikel zal proberen een licht te werpen op enkele algemene regels om problemen met de lay-out van gemengde signalen te voorkomen en de beste benadering te bespreken om uw analoge circuitgedeelte te isoleren van zijn digitale tegenhanger.

Achtergrond

Als een snel overzicht is het belangrijk om het retourpad van AC-signalen met hoge snelheid te bespreken. Bij het onderzoeken van het retourpad van een gelijkstroomsignaal, is dat pad eenvoudigweg het pad van de minste weerstand terug naar de oorspronkelijke component. AC-signaalretourpaden volgen echter het pad van de minste impedantie. Dit betekent dat de retourpadstromen van het wisselstroomsignaal gelokaliseerd blijven in het gebied onder hun oorspronkelijke signaalsporen. De uitzondering op deze regel is dat wanneer u het grondvlak onder een snel AC-signaal verbreekt, u de retourstroom voor dat signaal dwingt om een ​​stralende lus te creëren. Dit soort lus is zowel een bron van als een zinkput voor uitgestraald geluid en moet waar mogelijk worden vermeden. Deze korte bespreking zou de lezer moeten herinneren aan een van de twee basisregels van EMI (elektromagnetische interferentie) reductie:Houd retourpaden zo dicht mogelijk bij hun oorspronkelijke signaalpaden om te voorkomen dat er retourstroomlussen ontstaan. De andere basisregel van EMI-reductie is om ervoor te zorgen dat u slechts één referentievlak gebruikt. Als er twee worden gebruikt, wordt de PCB in feite een dipoolantenne. Laten we, met deze snelle beoordeling in de hand, verder gaan met de details van de lay-out van gemengde signalen.

Gemengde signaaltopologieën

Heel vaak is de eerste neiging van een ontwerper om eenvoudig het analoge deel van het bord van het digitale deel te scheiden door een analoog en een digitaal aardingsschema te gebruiken. Het probleem met een dergelijk schema is dat wanneer verbindingen worden gemaakt van de digitale naar de analoge kant van het bord, het bord (zoals besproken in de vorige sectie) in feite een dipoolantenne wordt. Een dergelijk ontwerp zal zowel inherent gevoelig zijn voor elektrische ruis als zelf zeer elektrisch lawaaierig zijn.

Een andere veelvoorkomende benadering van dit probleem is om de analoge en digitale aarde eenvoudig op één punt met elkaar te verbinden (vaak wordt de negatieve rail van de voeding gebruikt bij het ontwerp). Dit is echter een zeer slechte oplossing, omdat alle sporen die de digitale met de analoge kant van het bord verbinden, nu een lusantenne vormen via het aardverbindingspunt die zowel uit uw ontwerp zal stralen als elektrische ruis in uw ontwerp zal ontvangen. Bovendien zullen de sporen die de onafhankelijke grondgedeelten van uw bord met elkaar verbinden, effectief een dipoolantenne creëren. Beide effecten produceren een zeer luidruchtig en ruisgevoelig ontwerp.

Nog een andere veel voorkomende (zij het iets effectievere) benadering voor het ontwerpen van een gemengd signaalbord is een configuratie waarbij het analoge en het digitale deel van het bord rechtstreeks met elkaar zijn verbonden door middel van een "brug". Terwijl de digitale en analoge aarde in een dergelijk schema direct met elkaar zijn verbonden, worden alle verbindingssporen van de analoge naar de digitale kant van het bord gerouteerd boven het gedeelte van het bord waar de analoge en digitale aarde zijn verbonden. Op deze manier zullen de snelle AC-signalen die tussen de twee circuits gaan een direct retourpad hebben, maar de grondvlakken zullen nog steeds enigszins gescheiden zijn. Deze configuratie van het brugtype zorgt er in theorie voor dat de digitale kant van het bord hetzelfde grondvlak heeft als de analoge kant van het bord, maar met wat meer isolatie dan simpelweg dat de twee delen van het bord een doorlopend grondvlak delen. Hoewel dit type configuratie doorgaans resulteert in een bord dat goed presteert, waarom zou je dan in de eerste plaats een brug gebruiken? De retourstromen van snelle AC-signalen blijven inherent zeer dicht bij hun oorspronkelijke sporen, dus de noodzaak van een brug kan worden vermeden door bewuste routering van digitale signalen.

De beste en gemakkelijkste manier om een ​​gemengde signaallay-out te voltooien, is door de printplaat eenvoudig te verdelen in een analoge partitie en een digitale partitie. Deze twee partities kunnen dan hetzelfde grondvlak delen, dat zal bestaan ​​uit een PCB-brede koperen gietvorm. Interferentie tussen de twee kanten kan dan eenvoudig worden vermeden door de snelle digitale signalen niet naar het analoge gedeelte van de printplaat te leiden.

Hieruit volgt dat in elk van deze configuraties de scheidingslijn waar de partities zijn gescheiden de logische locatie zal zijn van de analoog-naar-digitaal-omzetter of -omzetters die in het PCB-ontwerp worden gebruikt. Het is niet ongehoord om analoog-naar-digitaal-omzetters over geïsoleerde analoge en digitale grondvlakken te zien, maar zoals besproken, is een zeer goede oplossing om de analoog-naar-digitaal-omzetters eenvoudig langs de scheidslijn van de digitale en analoge delen van het bord te plaatsen, waar het bord een enkel doorlopend grondvlak heeft.

Ten slotte is het de moeite waard om andere benaderingen te noemen om het analoge van het digitale deel van het bord te isoleren. Het is niet ongebruikelijk om het digitale gedeelte van het bord optisch te koppelen met de analoge kant door middel van optische isolatoren. Op deze manier kunnen de analoge en digitale delen van het bord in feite hun eigen elektrisch geïsoleerde grondvlakken hebben. Dit soort configuratie werkt ook door de twee delen van een PCB te isoleren met behulp van een transformator, waarbij de twee zijden van het bord magnetisch zijn gekoppeld. Hoewel beide benaderingen geldig zijn, zijn ze doorgaans gereserveerd voor speciale toepassingen.

Algemene regels

Hier is een samenvatting van de algemene regels voor het ontwerpen van een gemengde signaal-PCB:
• Begin met het definiëren van de analoge en digitale delen van uw ontwerp.
• Verdeel uw PCB in een analoog en een digitaal deel.
• Zorg ervoor dat digitale componenten en analoge componenten zijn toegewezen aan hun respectieve partities.
• Leid digitale signalen nooit door het analoge gedeelte van het bord en routeer nooit analoge signalen door het digitale deel van het bord.
• Plaats analoog-naar-digitaal-omzetters zo dat ze over de scheidslijn tussen de analoge en digitale scheidingswanden van het bord lopen.
• Het gebruik van een enkele vaste grondplaat levert de beste resultaten op, met als bijkomend voordeel dat dit is de gemakkelijkste benadering.
• Als een signaalspoor van de analoge naar de digitale partitie moet worden gerouteerd, zorg er dan voor dat deze zich volledig boven het grondvlak van het bord bevindt.

Nuttige bronnen
• Onderdrukkingsmethode van signaalreflectie in high-speed PCB-lay-out
• High-speed PCB-ontwerpuitdagingen op signaalintegriteit en hun oplossingen
• Signaalintegriteitsanalyse en PCB-ontwerp op high-speed Digitaal-analoog gemengd circuit
• Impedantieregeling van via's en de invloed ervan op signaalintegriteit in PCB-ontwerp
• Full Feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Begin vanaf 1 stuk