תכנון של Mixed Signal PCBs

אז מה זה בעצם מעגל\כרטיס משולב (Mixed-Signal PCB Design) ?

כרטיס מסוג זה הוא כל מעגל מודפס שיש לו פונקציות אנלוגיות ודיגיטליות על אותו הלוח. ביישומים בחיים האמתיים תכנון של אותות משולבים נמצאים בכל מקום. דוגמה, מחשב, רחפן, סמארטפון ועוד.

אז נעבור למספר טיפים בעבודה עם מעגלים מסוג זה.

הפרדה של חיווטים ופוליגונים לאיזורים נפרדים – אנלוגיים ודיגיטליים

תמונה המציגה חלוקה של משטחי אדמה, אנלוגי ודיגיטלי אשר מפוצלים

כל עוד החיווטים של האותות האנלוגיים נמצאים מעל\מתחת לקרקע האנלוגית וכך באותו אופן החיווט הדיגיטלי, נמצא ממש מעל\מתחת לאדמה הדיגיטלית, אנחנו נהיה בסדר. בטכניקות חיווט PCB מעשיות, ננסה תחילה לברר את היקף או איזורי החיווט האנלוגיים והדיגיטליים ואז ליצור משטחי קרקע דיגיטליים ואנלוגיים נפרדים.

באופן מעשי כאשר נרצה לממש משטח בתוך Altium Designer כל שנצטרך לעשות הוא ליצור שכבת רפרנס (לדוגמה שכבה מסוג Plane) ולבצע חלוקה שלה למספר איזורים כמו AGND עבור אדמה אנלוגית ו- DGND עבור אדמה דיגיטלית.

מידע נוסף על חלוקה של שכבת Plane לאיזורים שונים באלטיום

מעבר לכך אם נרצה לבחון האם יש סיגנלים שאין להם שכבת רפנס מעל\מתחת נוכל לעשות זאת על ידי הגדרת חוק מסוג Return Path.

מידע נוסף על מימוש חוק Return Path  באלטיום

חיבור בין משטחי אדמה אנלוגיים ודיגיטליים

אם קיימים סיגנלים שעוברים תחת המשטח האנלוגי והדיגיטלי ואנו רוצים לחבר את המשטחים בנקודה אחת, באמצעות נגיד נגד 0402 זה יכול ליצור בעיה, משום שהאות החוזר אינו מסוגל לעקוב אחר האדמה שמתחתיו, כפי שמוצג בדוגמה מטה.

הפיתרון יהיה ליצור שכבת סיגנל פנימית (Signal Layer) שבה נבצע חלוקה של המשטחים הללו ולאחר מכן נחבר אותם באמצעות רכיב אשר נקרא Net Tie. רכיב זה מאפשר לנו לחבר מספר Net- ים שונים יחד באמצעות קצר שיעשה ביניהם בנקודה מסוימת.

הסבר נוסף על הגדרת Net Tie

לאחר הגדרת שכבה פנימית עם המשטחים הרצויים וחיבור שלהם באמצעות רכיב מסוג Net Tie , ניתן להעביר את הסיגנלים תחת מעל איזור זה (שמוגדר על ידי ה- Net Tie) ובכך לשמור על רפרנס תקין כפי שמוצג בתמונה הבאה.

חשוב להבין כי כל סיגנל שרץ על חיווט יוצר אות חוזר, שנע דרך חיבור האדמה. האות החוזר עוקב אחר מסלול עכבת (Impedance) המינימום. האות יעדיף לרוץ ישירות תחת הסיגנל עצמו. פיתרון טוב לבעיה זו הוא לחווט נקודות כאלה, דרך צומת שתהווה חיבור בין המשטחים ודרכם להעביר את אותם החיווטים שרצים בין האיזורים האנלוגיים והדיגיטליים, ממש כפי שמוצג באיור מעלה.

*לא דיברנו על כך, אבל קיימת אפשרות לייצר משטח אחיד של אדמה שישמש את הסיגנלים הדיגיטליים והאנלוגיים, אבל חשוב לשמור על נתיב האות החוזר (Return Path) כך שהחיווט הדיגיטלי לעולם לא יחצה את האות האנלוגי ולהיפך וכמובן לשמור על מרחקים מסוימים בין האותות.

בנייה של Stack-up מתאים

דוגמה למבנה שכבות המכיל שכבות GND (מסומנות) כרפרנס מתוך אלטיום

מכיוון שכל PCB מייצר (EMI (Electromagnetic interference – הפרעה אלקטרו-מגנטית, עלינו לנקוט במספר אמצעי זהירות, כמו התייחסות ל- Crosstalk, הגדרת משטחי אדמה והגדרת מבנה השכבות (Layer Stack) באופן כזה, שכל אלה יפחיתו באופן משמעותי את ה-EMI.  מבנה שכבות אידיאלי יהיה כזה שיכיל שכבת אדמה (GND) תחת כל שכבת סיגנל.  במצב זה כפי שהסברנו קודם לכן, אות לא יפריע לזרם החוזר של אות אחר.

כפי שמופיע בתמונה של מבנה השכבות למעלה, לא תמיד מצב זה אפשרי (לרוב בעיקר מסיבות עלות או לעיתים בגלל מגבלה מכנית). על מנת לפתור זאת מקמו את שכבות הסיגנל בין משטח אדמה לבין משטח Power (עדיף אדמה כמובן). השראות פרופורציונאלית ישירות למרחק שמטען חשמלי צריך לעבור מהמקור לאדמה. ככל שהמרחק מתקצר, ההשראות קטנה. לכן הצבת משטחי אדמה קרוב למקור האות מפחיתה השראות ועוזרת למנוע\להכיל EMI.

ישנם כמובן גם מקרים ששתי שכבות סיגנל ישבו זה לצד זה. במקרה כזה עלינו לנתב את האותות של שכבה N אורתוגונלית לאותות של שכבה N + 1 כדי למזער crosstalk וקיבוליות טפילית (לא רצויה).

חלוקה על בסיס רכיבים המכילים פינים אנלוגיים ודיגיטליים

קיימת חשיבות עליונה למיקום נכון של רכיבים מסוימים. זה הגורם הקובע כיצד אותות אנלוגיים ינועו דרך ה- PCB, כמו גם כיצד משטחים מפוצלים ישמרו על מאפיינים אנלוגיים נפרדים מהקטע הדיגיטלי. לביצועי מערכת אופטימליים, חשוב לסדר את המשטחים השונים באופן כזה שתהיה ביניהם אינטראקציה מינימלית (כזו שעלולה ליצור רעש במעגלים אנלוגיים רגישים).
לדוגמה, חיווטים קצרים (ככל הניתן) יקטינו את הקיבול ואת ההשראות ההדדית שיווצרו בין האותות המחווטים. אם המערכת מכילה ממיר A / D נוכל לפצל את משטח האדמה ולחבר את האיזור האנלוגי והאיזור הדיגיטלי יחד במקום אחד, שיהיה מתחת לממיר A / D. במצב זה חשוב לא לבצע חיווט באיזור שבו המשטח פוצל. ניתן לראות דוגמה לכך בתמונה הבאה.

אם יש לכם שאלות נוספות בנושא כמובן שנשמח להרחיב. מוזמנים לרשום לנו הערות או הצעות בתגובות.

תגיות: ALTIUM | PCB