Pertimbangan Tata Letak Sinyal Campuran

Cukup sering desain papan sirkuit cetak (PCB) akan berisi bagian analog dan bagian digital. Bagian analog biasanya mengkondisikan sinyal untuk digitalisasi dan bagian digital mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital dan kemudian bekerja pada sinyal domain digital sekarang. Memisahkan dua blok desain PCB ini sangat penting untuk memastikan integritas sirkuit analog. Sirkuit analog biasanya sangat rentan terhadap sinyal noise dan sirkuit digital biasanya sangat bising secara elektrik. Artikel ini akan mencoba menjelaskan beberapa aturan umum untuk menghindari masalah tata letak sinyal campuran dan membahas pendekatan terbaik untuk mengisolasi bagian rangkaian analog Anda dari bagian penghitung digitalnya.

Latar Belakang

Sebagai tinjauan singkat, penting untuk membahas jalur kembalinya sinyal AC kecepatan tinggi. Saat memeriksa jalur kembalinya sinyal DC, jalur tersebut dengan hanya menjadi jalur dengan resistansi paling rendah kembali ke komponen asal. Jalur pengembalian sinyal AC mengikuti jalur dengan impedansi terkecil sekalipun. Ini berarti bahwa arus jalur balik sinyal AC tetap terlokalisasi ke area di bawah jejak sinyal asalnya. Pengecualian untuk aturan ini adalah bahwa ketika Anda mematahkan bidang tanah di bawah sinyal AC kecepatan tinggi, Anda akan memaksa arus balik untuk sinyal tersebut untuk membuat loop yang memancar. Loop semacam ini merupakan sumber dan penampung kebisingan yang terpancar dan harus dihindari bila memungkinkan. Tinjauan singkat ini harus mengingatkan pembaca tentang salah satu dari dua aturan dasar pengurangan EMI (interferensi elektromagnetik):Pertahankan jalur balik sedekat mungkin dengan jalur sinyal asalnya untuk menghindari pembuatan loop arus balik. Aturan dasar pengurangan EMI lainnya adalah memastikan bahwa Anda hanya menggunakan satu bidang referensi. Jika dua digunakan, maka PCB akan efektif menjadi antena dipol. Dengan tinjauan singkat ini, mari kita lanjutkan ke spesifikasi tata letak sinyal campuran.

Topologi Sinyal Campuran

Cukup sering kecenderungan pertama seorang desainer adalah untuk hanya memisahkan bagian analog papan dari bagian digital dengan menggunakan analog dan skema pentanahan digital. Masalah dengan skema seperti itu adalah ketika koneksi dibuat dari sisi digital ke analog papan, papan (seperti yang dibahas di bagian sebelumnya) secara efektif menjadi antena dipol. Setiap desain seperti itu secara inheren rentan terhadap kebisingan listrik dan juga sangat bising secara elektrik itu sendiri.

Pendekatan umum lainnya untuk masalah ini adalah dengan hanya menghubungkan ground analog dan digital bersama-sama pada satu titik (seringkali rel negatif catu daya digunakan dengan desain). Ini adalah solusi yang sangat buruk, karena setiap jejak yang menghubungkan digital ke sisi analog papan sekarang akan membentuk antena loop melalui titik koneksi ground yang keduanya akan memancar dari desain Anda dan menerima kebisingan listrik desain Anda. Selain itu, jejak yang menghubungkan bagian arde independen dari papan Anda akan secara efektif membuat antena dipol. Kedua efek tersebut akan menghasilkan desain yang sangat bising dan rentan terhadap kebisingan.

Namun pendekatan umum lainnya (walaupun sedikit lebih efektif) untuk merancang papan sinyal campuran adalah konfigurasi di mana bagian analog dan digital dari papan terhubung langsung satu sama lain melalui "jembatan". Sementara arde digital dan analog terhubung langsung satu sama lain dalam skema seperti itu, semua jejak penghubung dari sisi analog ke sisi digital papan dirutekan di atas bagian papan tempat arde analog dan digital terhubung. Dengan cara ini sinyal AC kecepatan tinggi yang terjadi di antara dua sirkuit akan memiliki jalur balik langsung, tetapi bidang landasan masih akan agak terpisah. Konfigurasi tipe jembatan ini, secara teori, memungkinkan sisi digital papan memiliki bidang tanah yang sama dengan sisi analog papan, tetapi dengan beberapa isolasi lebih lanjut daripada sekadar memiliki dua bagian papan yang berbagi bidang tanah yang berkesinambungan. Sementara jenis konfigurasi ini biasanya akan menghasilkan papan yang berkinerja baik, mengapa menggunakan jembatan di tempat pertama? Arus balik dari sinyal AC berkecepatan tinggi secara inheren akan tetap sangat dekat dengan jejak asalnya, sehingga kebutuhan akan jembatan dapat dihindari dengan perutean sinyal digital yang cermat.

Pendekatan terbaik dan termudah untuk menyelesaikan tata letak sinyal campuran adalah dengan membagi papan sirkuit menjadi partisi analog dan partisi digital. Kedua partisi ini kemudian dapat berbagi bidang dasar yang sama, yang akan terdiri dari tuang tembaga lebar PCB. Interferensi antara kedua sisi dapat dengan mudah dihindari dengan tidak mengarahkan sinyal digital berkecepatan tinggi ke bagian analog dari PCB.

Oleh karena itu dalam salah satu konfigurasi ini garis pemisah di mana partisi dipisahkan akan menjadi lokasi logis dari konverter analog ke digital atau konverter yang digunakan dalam desain PCB. Bukan hal yang aneh untuk melihat konverter analog ke digital mengangkangi bidang analog dan digital yang terisolasi, tetapi seperti yang dibahas, solusi yang sangat baik adalah dengan menempatkan konverter analog ke digital di sepanjang garis pemisah bagian digital dan analog papan, di mana papan memiliki satu bidang tanah kontinu.

Akhirnya, perlu disebutkan pendekatan lain untuk mengisolasi analog dari bagian digital papan. Bukan hal yang aneh untuk memasangkan secara optik bagian digital papan dengan sisi analog dengan menggunakan isolator optik. Dengan cara ini bagian analog dan digital dari papan sebenarnya dapat memiliki ground plane yang terisolasi secara elektrik. Konfigurasi semacam ini juga bekerja dengan mengisolasi dua bagian PCB menggunakan transformator, di mana kedua sisi papan digabungkan secara magnetis. Meskipun kedua pendekatan tersebut valid, keduanya biasanya dicadangkan untuk aplikasi khusus.

Aturan Umum

Berikut adalah ringkasan aturan umum untuk meletakkan PCB sinyal campuran:
• Mulailah dengan mendefinisikan bagian analog dan digital dari desain Anda.
• Partisi PCB Anda menjadi bagian analog dan digital.
• Pastikan bahwa komponen digital dan komponen analog ditetapkan ke partisinya masing-masing.
• Jangan pernah mengarahkan sinyal digital melalui bagian analog papan dan jangan pernah mengarahkan sinyal analog melalui bagian digital papan.
• Tempatkan konverter analog ke digital sedemikian rupa sehingga mengangkangi garis pemisah antara partisi analog dan digital pada papan.
• Menggunakan satu bidang tanah padat akan menghasilkan hasil terbaik, dengan manfaat tambahan dari menjadi pendekatan termudah.
• Jika jejak sinyal harus dirutekan dari partisi analog ke digital, pastikan bahwa itu terletak seluruhnya di atas bidang dasar papan.

Sumber Daya yang Bermanfaat
• Metode Penindasan Refleksi Sinyal pada Tata Letak PCB Berkecepatan Tinggi
• Desain PCB Berkecepatan Tinggi Tantangan pada Integritas Sinyal dan Solusinya
• Analisis Integritas Sinyal dan Desain PCB pada Kecepatan Tinggi Sirkuit Campuran Digital-Analog
• Kontrol Impedansi Vias dan Pengaruhnya pada Integritas Sinyal dalam Desain PCB
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah