ข้อควรพิจารณาในการออกแบบเลย์เอาต์แบบผสมสัญญาณ

บ่อยครั้งที่การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จะมีทั้งส่วนแอนะล็อกและส่วนดิจิทัลอยู่ด้วยกัน ส่วนแอนะล็อกมักใช้สำหรับปรับสภาพสัญญาณเพื่อเตรียมสำหรับการแปลงเป็นดิจิทัล และส่วนดิจิทัลจะทำหน้าที่แปลงสัญญาณแอนะล็อกให้เป็นสัญญาณดิจิทัล จากนั้นจึงประมวลผลสัญญาณในโดเมนดิจิทัลต่อไป การแยกสองบล็อกนี้ของการออกแบบแผงวงจรพิมพ์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันความถูกต้องของวงจรแอนะล็อก วงจรแอนะล็อกมักมีความไวต่อสัญญาณรบกวนสูง และวงจรดิจิทัลก็มักจะมีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูงเช่นกัน บทความนี้จะพยายามอธิบายกฎทั่วไปบางประการเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการวางเลย์เอาต์แบบผสมสัญญาณ และอภิปรายแนวทางที่ดีที่สุดในการแยกส่วนของวงจรแอนะล็อกจากส่วนดิจิทัลของมัน

พื้นหลัง

เพื่อทบทวนอย่างรวดเร็ว สิ่งสำคัญคือการพูดคุยเกี่ยวกับเส้นทางกลับของสัญญาณ AC ความเร็วสูง เมื่อพิจารณาเส้นทางกลับของสัญญาณ DC เส้นทางดังกล่าวจะเป็นเพียงเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำที่สุดกลับไปยังอุปกรณ์ต้นทางเท่านั้น แต่เส้นทางกลับของสัญญาณ AC จะเป็นเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำที่สุด นั่นหมายความว่ากระแสในเส้นทางกลับของสัญญาณ AC จะยังคงถูกจำกัดอยู่เฉพาะบริเวณด้านล่างของลายทองแดงสัญญาณต้นทาง ข้อยกเว้นของกฎนี้คือ เมื่อคุณตัดต่อหรือแบ่งแยกกราวด์เพลนที่อยู่ด้านล่างสัญญาณ AC ความเร็วสูง คุณจะบังคับให้กระแสกลับของสัญญาณดังกล่าวสร้างลูปที่แผ่รังสีได้ ลูปประเภทนี้เป็นได้ทั้งแหล่งกำเนิดและแหล่งรับสัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสี และควรหลีกเลี่ยงเมื่อเป็นไปได้ การทบทวนสั้น ๆ นี้ควรทำให้ผู้อ่านนึกถึงหนึ่งในสองกฎพื้นฐานของ EMIสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า) การลดทอน: รักษาเส้นทางกระแสกลับให้ใกล้กับเส้นทางสัญญาณต้นทางมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อหลีกเลี่ยงการสร้างลูปกระแสกลับ กฎพื้นฐานอีกข้อหนึ่งของการลด EMI คือให้แน่ใจว่าคุณใช้ระนาบอ้างอิงเพียงระนาบเดียว หากใช้สองระนาบ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) จะกลายเป็นเสาอากาศไดโพลโดยปริยาย เมื่อทบทวนอย่างรวดเร็วเสร็จแล้ว ให้เราดำเนินต่อไปยังรายละเอียดเฉพาะของการจัดวางวงจรสัญญาณผสม

โทโพโลยีแบบมิกซ์สัญญาณ

บ่อยครั้งที่ความคิดแรกของผู้ออกแบบคือการแยกส่วนอนาล็อกของบอร์ดออกจากส่วนดิจิทัลอย่างง่าย ๆ โดยใช้รูปแบบกราวด์อนาล็อกและกราวด์ดิจิทัล ปัญหาของรูปแบบดังกล่าวคือเมื่อมีการเชื่อมต่อจากด้านดิจิทัลไปยังด้านอนาล็อกของบอร์ด บอร์ดนั้น (ดังที่ได้กล่าวไว้ในส่วนก่อนหน้า) จะกลายเป็นเสาอากาศไดโพลโดยปริยาย การออกแบบใด ๆ ในลักษณะนี้จะมีความไวต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าโดยเนื้อแท้ และในทำนองเดียวกันก็จะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูงด้วยเช่นกัน

อีกวิธีหนึ่งที่มักใช้กันสำหรับปัญหานี้คือการต่อกราวด์อนาล็อกและกราวด์ดิจิทัลเข้าด้วยกันที่จุดเดียว (มักจะเป็นรางลบของแหล่งจ่ายไฟที่ใช้ร่วมกับวงจร) อย่างไรก็ตาม นี่เป็นวิธีแก้ปัญหาที่แย่มาก เพราะลายวงจรใด ๆ ที่เชื่อมต่อส่วนดิจิทัลกับส่วนอนาล็อกของบอร์ดจะก่อให้เกิดเสาอากาศแบบลูปผ่านจุดเชื่อมต่อกราวด์ ซึ่งจะทั้งแผ่รังสีสัญญาณรบกวนออกจากวงจรของคุณ และรับสัญญาณรบกวนไฟฟ้าเข้าสู่วงจรของคุณ นอกจากนี้ ลายวงจรที่เชื่อมต่อส่วนกราวด์ที่แยกจากกันบนบอร์ดของคุณเข้าด้วยกันจะทำให้เกิดเสาอากาศไดโพลอย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งสองเอฟเฟกต์นี้จะทำให้ได้วงจรที่มีสัญญาณรบกวนสูงและไวต่อสัญญาณรบกวนมาก

อีกแนวทางหนึ่งที่พบได้บ่อย (แม้จะมีประสิทธิภาพมากกว่าเล็กน้อย) สำหรับการออกแบบบอร์ดแบบสัญญาณผสม คือการจัดวางให้ส่วนอนาล็อกและส่วนดิจิทัลของบอร์ดเชื่อมต่อกันโดยตรงผ่าน “สะพาน” แม้ว่ากราวด์ดิจิทัลและกราวด์อนาล็อกจะถูกเชื่อมต่อถึงกันโดยตรงในรูปแบบนี้ แต่ลายวงจรทั้งหมดที่เชื่อมจากฝั่งอนาล็อกไปยังฝั่งดิจิทัลของบอร์ดจะถูกวางให้วิ่งอยู่เหนือบริเวณของบอร์ดที่กราวด์อนาล็อกและกราวด์ดิจิทัลเชื่อมต่อกัน ด้วยวิธีนี้ สัญญาณ AC ความเร็วสูงที่วิ่งระหว่างสองวงจรจะมีเส้นทางกระแสย้อนกลับโดยตรง แต่ระนาบกราวด์ก็ยังคงถูกแยกออกจากกันในระดับหนึ่ง การจัดวางแบบสะพานนี้ในทางทฤษฎีจะทำให้ฝั่งดิจิทัลของบอร์ดมีระนาบกราวด์เดียวกันกับฝั่งอนาล็อกของบอร์ด แต่ยังคงมีการแยกตัวมากกว่าการให้สองส่วนของบอร์ดใช้ระนาบกราวด์ต่อเนื่องเดียวกัน แม้ว่าการจัดวางประเภทนี้มักจะทำให้ได้บอร์ดที่มีประสิทธิภาพดี แต่เหตุใดจึงต้องใช้สะพานตั้งแต่แรก? กระแสย้อนกลับของสัญญาณ AC ความเร็วสูงจะไหลอยู่ใกล้กับลายวงจรต้นทางของมันโดยธรรมชาติ ดังนั้นความจำเป็นในการใช้สะพานจึงสามารถหลีกเลี่ยงได้ด้วยการวางลายวงจรสัญญาณดิจิทัลอย่างรอบคอบ

วิธีที่ดีที่สุดและง่ายที่สุดในการทำเลย์เอาต์แบบสัญญาณผสมให้เสร็จสมบูรณ์คือเพียงแค่แบ่งแผงวงจรเป็นพาร์ทิชันแบบแอนะล็อกและพาร์ทิชันแบบดิจิทัล จากนั้นพาร์ทิชันทั้งสองนี้สามารถใช้ระนาบกราวด์ร่วมกันได้ ซึ่งจะประกอบขึ้นจากพื้นที่ทองแดงเทรซกว้างบนแผ่น PCB การรบกวนระหว่างสองส่วนนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้อย่างง่ายดายโดยไม่ลากสัญญาณดิจิทัลความเร็วสูงเข้าไปยังส่วนแอนะล็อกของแผ่น PCB

ดังนั้น ในการจัดวางรูปแบบใด ๆ เหล่านี้ เส้นแบ่งที่ใช้แยกพาร์ทิชันจะเป็นตำแหน่งเชิงตรรกะของตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลหรือหลายตัวแปลงที่ใช้ในงานออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทั้งนี้ไม่ใช่เรื่องที่ไม่เคยพบเห็นว่าตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลวางคร่อมระนาบกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลที่แยกจากกัน แต่ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว แนวทางที่ดีมากวิธีหนึ่งคือการวางตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลไว้ตามแนวเส้นแบ่งระหว่างส่วนดิจิทัลและแอนะล็อกของบอร์ด ซึ่งบอร์ดจะมีระนาบกราวด์ต่อเนื่องเป็นผืนเดียว

สุดท้ายนี้ ควรกล่าวถึงวิธีการอื่น ๆ ในการแยกส่วนอนาล็อกจากส่วนดิจิทัลของบอร์ดด้วยเช่นกัน การใช้คัปเลอร์แบบออปติคัลเพื่อเชื่อมต่อส่วนดิจิทัลของบอร์ดเข้ากับส่วนอนาล็อกผ่านออปติคัลไอโซเลเตอร์นั้นไม่ใช่เรื่องแปลก วิธีนี้ทำให้ส่วนอนาล็อกและส่วนดิจิทัลของบอร์ดสามารถมีกราวด์เพลนที่แยกออกจากกันทางไฟฟ้าได้จริง ๆ การจัดรูปแบบลักษณะนี้ยังสามารถทำได้โดยการแยกสองส่วนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ด้วยหม้อแปลง ซึ่งทั้งสองด้านของบอร์ดจะถูกคัปเปิลกันด้วยสนามแม่เหล็ก แม้ว่าทั้งสองวิธีจะใช้งานได้จริง แต่มักจะถูกนำไปใช้กับงานเฉพาะทางเป็นหลัก

กฎทั่วไป