Thiết kế nối đất PCB đúng cách sẽ giảm nhiễu EMI tín hiệu hỗn hợp

| Created: Tháng Ba 29, 2017 | Updated: Tháng Ba 23, 2022

Cách Giảm EMI trong Hệ thống Tín hiệu Hỗn hợp Bằng Cách Sử dụng Thiết kế Mặt đất PCB Đúng cách

Các PCB tín hiệu hỗn hợp có đủ hình dạng, kích thước và sự kết hợp giữa tần số/thời gian tăng tốc. Do sự kết hợp của nhiều loại tín hiệu được triển khai trên một bảng mạch đơn, sự nhiễu có thể trở nên rắc rối đột ngột nếu các bảng mạch không được bố trí và định tuyến một cách đúng đắn. Khái niệm "đúng đắn" trong trường hợp này phụ thuộc vào chức năng của bảng mạch và sự kết hợp của các tín hiệu liên quan. Đôi khi, các bảng mạch tín hiệu hỗn hợp kết hợp tín hiệu số tốc độ thấp, tốc độ cao và RF trên một PCB sẽ tạo ra vấn đề nhiễu ít thách thức hơn so với các bảng mạch giao diện tương tự hoạt động ở nhiều tần số thấp.

Chìa khóa để giải quyết những thách thức về nhiễu này là đảm bảo bạn thực hiện chiến lược nối đất đúng đắn để hỗ trợ giảm nhiễu trong quá trình định tuyến và bố trí của bạn. Các hướng dẫn dưới đây nhằm cung cấp cho các nhà thiết kế tín hiệu hỗn hợp cái nhìn tổng quan về nhiều chiến lược khác nhau dành cho các loại PCB tín hiệu hỗn hợp khác nhau, và cụ thể là để giải quyết các tín hiệu trong một số phạm vi tần số nhất định. Như chúng ta sẽ thấy dưới đây, một số chiến lược nối đất nhất định thực tế hơn cho các phạm vi tần số khác nhau vì chúng có thể giúp ngăn chặn sự can thiệp từ điện từ (EMI) phát sinh giữa các mạch khác nhau trên bảng mạch.

Traces and pours can even look like roadways. — *Các đường mạch và lớp đồng thậm chí có thể trông giống như những con đường.*

Một số Lựa Chọn cho Nối Đất Tín Hiệu Hỗn Hợp

Bạn biết rằng các giải pháp nối đất thường cần được thiết kế riêng biệt cho các PCB tín hiệu hỗn hợp, nhưng dù sao, vẫn có một số "phương pháp tốt nhất" có thể giúp bạn một phần. Trong thiết kế nối đất PCB, thường có ba lựa chọn bạn sẽ muốn sử dụng trong hệ thống của mình:

Dây Bus: Đối với hầu hết các PCB được sử dụng cho hệ thống tín hiệu hỗn hợp, dây bus không phải là một giải pháp tốt. Tuy nhiên, đây thường là lựa chọn mà hầu hết các nhà thiết kế mới sẽ chọn mặc định để xác định các điểm nối đất và tạo kết nối. Trở kháng dòng điện trở về của dây bus có thể khá lớn ở tần số hệ thống, tạo ra các vòng cảm ứng lớn dễ dàng nhận nhiễu tần số cao.
Lưới Nối Đất: Một lưới nối đất đôi khi được sử dụng trong PCB hai lớp không có đủ không gian cho một mặt phẳng nối đất PCB đầy đủ, nhưng không thể chấp nhận sự sụt áp hoặc cảm ứng đường trở về lớn liên quan đến dây bus. Lưới không nhất thiết phải là một lưới hình vuông, nhưng nó nên có diện tích càng lớn càng tốt. Một diện tích lớn hơn sẽ giảm trở kháng lưới và cho phép nhiều kết nối trace/via hơn, từ đó rút ngắn đường dẫn dòng điện trở về.Mặt Đất: Thông thường, giải pháp tốt nhất cho việc nối đất trong một PCB là sử dụng toàn bộ mặt đất. Điều này có nghĩa là ít nhất bạn sẽ cần một bo mạch 4 lớp nếu thiết kế của bạn bao gồm nhiều lớp tín hiệu.

Không có cái nào trong số này được định nghĩa trong sơ đồ mạch; tất cả chúng tồn tại trong không gian trống xung quanh các thành phần của bạn, và bạn sẽ cần quyết định cách triển khai chiến lược nối đất của mình khi bạn tiến hành thiết kế bố trí PCB.

Việc nối đất thực tế không dễ dàng như trên sơ đồ mạch.

Nếu bạn không chắc chắn phải làm gì, như trong trường hợp của một bo mạch 2 lớp, lựa chọn tốt nhất của bạn là sử dụng một mặt đất đồng nhất vì điều này thường cung cấp các đường dẫn trở lại dòng điện dễ theo dõi nhất trong thiết kế. Ngoài ra, một mặt đất đầy đủ sẽ có khả năng chống nhiễu điện từ (EMI) cao hơn so với một lưới nối đất. Giống như với một lưới, cần phải cẩn thận khi kết nối các mạch tích hợp (IC) với mặt đất PCB để đảm bảo rằng các đường dẫn trở lại dòng điện không bị chéo nhau. Như thường lệ, giải pháp “tốt hơn” thì sẽ tốn kém hơn. Nếu bạn tiết kiệm như một người Quaker, việc tính toán trở kháng liên quan đến việc sử dụng dây bus hoặc lưới nối đất có thể đáng giá.

Nối đất PCB ở Các Tần Số Khác Nhau

Với những điểm được nêu ở trên, bạn nên làm gì với các loại bảng mạch và tần số khác nhau? Bảng dưới đây tóm tắt một số chiến lược bạn có thể sử dụng ở các phạm vi tần số khác nhau. Lưu ý rằng chúng tôi không xem xét các loại tín hiệu khác nhau

Thiết kế nối đất	Khi nào nên sử dụng
Dây bus	Hiếm khi (chỉ DC thực sự), không thực tế cho hầu hết PCB
Rãnh nối đất nhỏ	Tốt nhất cho DC (không có điều chỉnh chuyển mạch) hoạt động ở dòng điện thấp đến trung bình
Rãnh nối đất lớn	Ổn cho bộ điều chỉnh chuyển mạch với biên độ điện áp/dòng điện thấp, hoặc ở tần số AC rất thấp (phạm vi âm thanh hoặc thấp hơn)
Mặt phẳng nối đất	Tần số thấp và cao, tất cả tín hiệu số; đây là giải pháp toàn diện tốt nên sử dụng trừ khi bạn có thể chứng minh ngược lại.
Nối đất hình sao	Không được khuyến nghị trừ trong một số ứng dụng tần số thấp cụ thể (ví dụ, một số hệ thống âm thanh số)

Trong các loại thiết kế nối đất PCB khác nhau này, chúng ta có thể thấy rằng mặt đất là giải pháp phổ biến nhất. Thanh đất lớn cũng có thể được chấp nhận để cung cấp đất cho nhiều tần số miễn là nó có thể cung cấp kết nối dễ dàng với các mạng. Lưu ý rằng chiến lược nối đất dạng sao cũng có thể được sử dụng với các thanh miễn là các loại tín hiệu khác nhau không cần tương tác với cùng một thành phần. Nối đất dạng sao với lớn có thể cho phép kết nối đất với độ tự cảm rất thấp, nhưng bạn nên đặt các IC tín hiệu hỗn hợp rất cẩn thận để tránh nhiễu (xem bên dưới).

Tìm hiểu thêm về các chiến lược nối đất và nối đất dạng sao trong PCB của bạn

Một số thiết kế tín hiệu hỗn hợp có thể sử dụng hai mặt đất riêng biệt trong nỗ lực tách biệt mạch analog và số nhằm giảm EMI. Tuy nhiên, đối với các hệ thống tổng quát hơn, hai mặt đất có thể được hợp nhất, hoặc chỉ sử dụng một mặt đất PCB.

Mục tiêu khi triển khai bất kỳ chiến lược thiết kế nối đất PCB nào là để ngăn chặn các đường dẫn dòng điện trở lại AC và DC không giao nhau, điều này sẽ dẫn đến nhiễu chéo. Điều này dễ dàng nhất với một mặt đất liền mạch kề cận với các lớp tín hiệu, với tất cả các mặt đất được nối lại với nhau bằng vias tới cùng một điện thế tham chiếu. Nếu có khoảng trống trong một mặt đất, chẳng hạn như gần các lỗ cắt hoặc nếu PWR/GND được trộn lẫn trên cùng một lớp, không nên chạy các đường mạch qua những khoảng trống này vì chúng sẽ hoạt động như anten.

Mẹo Thực Hành cho IC Tín Hiệu Hỗn Hợp

Như đã đề cập ở trên, IC tín hiệu hỗn hợp có thể gây ra những phức tạp cho thiết kế nối đất PCB, và ghi chú ứng dụng cho những linh kiện này đôi khi có thể khuyến nghị những thực hành xấu tạo ra tiếng ồn mới. Các kết hợp khác nhau của chúng đòi hỏi các giải pháp khác nhau, vì vậy đây là một số mẹo khi xử lý IC tín hiệu hỗn hợp.

PCB với Một IC Tín Hiệu Hỗn Hợp Đơn

Nếu bạn đã từng thiết kế mạch âm thanh trước đây, có thể bạn đã quen thuộc với kỹ thuật đất sao. Khi thiết kế một PCB chỉ có một IC tín hiệu hỗn hợp, đất sao có thể là một giải pháp tuyệt vời. Đất sao sử dụng một điểm duy nhất làm điểm tham chiếu thay vì một lớp phẳng toàn bộ. Đối với ADCs/DACs, cũng như một số chip tín hiệu hỗn hợp khác, nhà sản xuất thường khuyến nghị rằng các chân AGND và DGND nên được kết nối với nhau bên ngoài chip; kết nối này được thực hiện tốt nhất với một miếng vá tạo thành đất sao hoặc trực tiếp vào lớp đất. Nếu bạn sử dụng hai lớp đất riêng biệt với một IC tín hiệu hỗn hợp duy nhất, bạn cũng có thể kết nối hai lớp đất khung máy lại với nhau tại điểm đó.

PCB với Nhiều IC Tín Hiệu Hỗn Hợp

Nếu bảng mạch in của bạn sử dụng nhiều hơn một IC tín hiệu hỗn hợp, việc sử dụng một mặt đất dạng sao có lẽ là không khả thi. Điều này là bởi vì bạn cần phải kết nối AGND và DGND từ mỗi IC lại với nhau ngay bên ngoài mỗi vỏ IC, tất cả tại cùng một điểm chính xác; đơn giản là không khả thi và phương pháp tốt nhất là chỉ sử dụng một mặt đất chung cho mọi thứ. Chỉ trong trường hợp bạn có mỗi IC này hoạt động ở các tần số khác nhau, bạn mới cân nhắc thêm khoảng trống để hỗ trợ cách ly, và ngay cả khi đó bạn cũng nên tuân theo quy tắc trên là không đặt đường dẫn qua những khoảng trống này.

Các mặt đất hệ thống tín hiệu hỗn hợp yêu cầu kế hoạch bố trí cẩn thận, vì các đường quay về cần được kiểm tra để giảm EMI và nhiễu chéo. Khi bạn sẵn sàng thực hiện thiết kế mặt đất PCB trong thiết kế bảng mạch tín hiệu hỗn hợp của mình, hãy sử dụng bộ công cụ CAD toàn diện trong Altium Designer^®. Khi bạn sẵn sàng phát hành dữ liệu chế tạo cho nhà sản xuất của mình, bạn có thể dễ dàng chia sẻ và hợp tác trên các thiết kế của mình thông qua nền tảng Altium 365^™. Mọi thứ bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử tiên tiến có thể được tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.

Xem Altium Designer^® hoạt động...

Thiết kế PCB mạnh mẽ

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.