Reguli de bază privind proiectarea PCB-urilor cu semnal mixt

by donpedro

Proiectarea unui PCB cu semnal mixt necesită o înțelegere de bază a circuitelor analogice și digitale pentru a minimiza, dacă nu chiar preveni, interferențele de semnal. Sistemele moderne constau din componente care funcționează atât în domeniul digital, cât și în cel analogic, iar acestea trebuie proiectate cu atenție pentru a asigura integritatea semnalului în întregul sistem.

Proiectarea PCB-ului ca parte importantă a procesului de dezvoltare cu semnal mixt poate fi intimidantă, iar plasarea componentelor este doar începutul. Există, de asemenea și alți factori care trebuie luați în considerare, inclusiv straturile (layer-ele) plăcii și modul de gestionare adecvată a acestora pentru a minimiza interferențele cauzate de capacitățile parazite care pot fi create în mod neintenționat între layer-ele intermediare ale PCB-ului.

Legarea la masă este, de asemenea, un proces integral în proiectarea layout-ului PCB-ului unui sistem cu semnal mixt. În timp ce împământarea este un subiect frecvent dezbătut în industrie, elaborarea unei abordări standardizate poate să nu fie întotdeauna cea mai simplă sarcină pentru orice inginer. De exemplu, o singură problemă de calitate a punerii la masă poate afecta întreaga configurare a unui proiect de PCB cu semnal mixt de înaltă performanță. Iată de ce, acest domeniu nu ar trebui să fie trecut cu vederea.

Amplasarea componentelor

Similar cu construirea unei case, este esențial să se creeze un plan al sistemului înainte de a plasa componentele circuitului. Acest pas va stabili integritatea generală a proiectului sistemului și ar trebui să ajute la evitarea interferențelor de semnal zgomotos.

La elaborarea planului, este recomandabil să se urmeze calea semnalului din schemă, în special pentru circuitele de mare viteză. Amplasarea unei componente este, de asemenea, un aspect critic al proiectării. Inginerul proiectant ar trebui să fie capabil să identifice blocul funcțional important, semnalele și conexiunea dintre blocuri pentru a identifica cea mai bună locație a fiecărei componente din sistem. Conectorii, de exemplu, sunt mai bine plasați la extremitățile plăcii, în timp ce componentele auxiliare, cum ar fi capacitoarele de decuplare și cristalele, trebuie să fie plasate cât mai aproape posibil de dispozitivul cu semnal mixt.

Figura 1: Separarea circuitelor analogice și digitale. (© ADI)

Separarea blocurilor analogice și digitale

Pentru a ajuta la minimizarea căii de întoarcere comune pentru semnalele analogice și digitale, se poate lua în considerare separarea blocurilor analogice și digitale, astfel încât semnalele analogice să nu se amestece cu cele digitale.

Figura 1 prezintă un bun exemplu de separare a circuitelor analogice și digitale. Unele considerații la separarea secțiunilor analogice și digitale sunt:

  • Componentele analogice sensibile, cum ar fi amplificatoarele și referințele de tensiune, se recomandă să fie plasate în planul analogic. În mod similar, componentele digitale zgomotoase, cum ar fi controlerele logice și blocurile de sincronizare, trebuie plasate în cealaltă parte/planul digital.
  • În cazul în care un sistem conține un convertor analog-digital (ADC) cu semnal mixt sau un convertor digital-analogic (DAC) care are curenți digitali mici, acesta poate fi tratat similar cu componentele analogice care sunt incluse în planul analogic.
  • Pentru proiectele cu mai mult de un ADC și un DAC de curent ridicat, se recomandă separarea surselor analogice și digitale. Adică, AVCC trebuie legat la secțiunea analogică, în timp ce DVDD trebuie conectat la secțiunea digitală.
  • Microprocesoarele și microcontrolerele pot ocupa spațiu și vor genera căldură. Aceste componente trebuie plasate în centrul plăcii pentru o mai bună disipare termică și, în același timp, aproape de blocurile de circuite asociate acestora.

Blocul de alimentare

Sursa de alimentare este o parte importantă a circuitului și trebuie tratată în consecință. Ca regulă generală, blocul de alimentare trebuie să fie izolat de restul circuitelor și, în același timp, să rămână aproape de componentele care sunt alimentate.

Sistemele complexe cu dispozitive care au mai mulți pini de alimentare pot utiliza blocuri de alimentare separate, dedicate secțiunilor analogice și digitale, pentru a evita interferențele digitale zgomotoase.

Pe de altă parte, rutarea surselor de alimentare trebuie să fie scurtă, directă și să utilizeze trasee late pentru a reduce inductanța și a evita limitarea curentului.

Tehnici de decuplare

Raportul de respingere a sursei de alimentare (PSRR − Power supply rejection ratio) este unul dintre parametrii importanți pe care un proiectant trebuie să îi ia în considerare pentru a obține performanțele țintă ale sistemului. PSRR este măsura sensibilității unui dispozitiv în raport cu variațiile sursei de alimentare, care va dicta în cele din urmă performanța unui anumit dispozitiv.

Pentru a menține un PSRR optim, este necesar să se împiedice intrarea în dispozitiv a energiei electrice de înaltă frecvență. Acest lucru poate fi realizat prin decuplarea corespunzătoare a sursei de alimentare a dispozitivului de planul de masă de impedanță joasă cu o combinație de capacitoare electrolitice și ceramice.

Întregul concept al decuplajului corect este de a dezvolta un mediu cu zgomot redus în care circuitul poate funcționa. Regula de bază este de a facilita întoarcerea curentului prin crearea celui mai scurt traseu.

Proiectanții trebuie să verifice întotdeauna recomandarea privind filtrarea de înaltă frecvență a fiecărui dispozitiv. Mai mult decât atât, următoarea listă de verificare va servi drept ghid, oferind tehnici generale de decuplare și implementarea corectă a acestora:

  • În timp ce capacitoarele electrolitice acționează ca rezervoare de sarcină pentru curenții tranzitorii cu scopul de a minimiza zgomotul de joasă frecvență al surselor de alimentare, capacitoarele ceramice cu inductanță redusă, pe de altă parte, reduc zgomotul de înaltă frecvență. De asemenea, miezurile de ferită sunt opționale, dar vor adăuga un plus de izolare și decuplare a zgomotului de înaltă frecvență.
  • Capacitoarele de decuplare trebuie să fie plasate cât mai aproape posibil de pinii de alimentare ai dispozitivului. Aceste capacitoare ar trebui să se conecteze la un plan de masă larg și de impedanță redusă prin intermediul unui vias sau al unor trasee scurte pentru a minimiza inductanța suplimentară în serie.
  • Cel mai mic capacitor, de obicei de 0,01μF până la 0,1μF, trebuie plasat cât mai aproape posibil din punct de vedere fizic de pinii de alimentare ai dispozitivului. Atunci când dispozitivul are mai multe ieșiri care comută în același timp, această plasare previne instabilitățile. Capacitorul electrolitic, de obicei între 10μF și 100μF, trebuie plasat la o distanță de cel mult un inch de pinul de alimentare al dispozitivului.
  • Pentru o implementare mai ușoară, capacitoarele de decuplare pot fi conectate printr-o conexiune de tip T la planul de masă, prin vias în apropierea pinului GND al componentei, mai degrabă decât prin crearea unui traseu. A se vedea exemplul din figura 2.

Figura 2: O tehnică de decuplare pentru pinii de alimentare. (© ADI)

Straturile (layer-ele) plăcii

Odată ce amplasarea componentelor și planul de bază au fost stabilite, putem trece la cealaltă parte a proiectării plăcii, care se referă de obicei la straturile (layer-ele) plăcii. Este foarte indicat ca acestea să fie luate în considerare mai întâi înainte de a trece la rutarea plăcii de circuit imprimat (PCB), deoarece acest lucru va determina traseele de curent de întoarcere permise pentru proiectarea sistemului.

Structura unui PCB constă în suprapunerea layer-elor de cupru din placa de circuit. Aceste straturi ar trebui să gestioneze curenții și semnalul în întreaga placă.

O reprezentare vizuală a straturilor plăcii este prezentată în figura 3. Tabelul 1 detaliază o configurație tipică de PCB cu 4 straturi:

Poziție layer Tip layer
1 Semnal digital/analogic (layer superior)
2 Masa
3 Plan de alimentare
4 Semnal auxiliar (layer inferior)

Tabelul 1: PCB tipic cu 4 straturi

Figura 3: O mostră de PCB cu 4 straturi (layere). (© ADI)

În general, sistemele de colectare a datelor de înaltă performanță trebuie să aibă patru sau mai multe straturi. Stratul superior este adesea utilizat pentru semnalele digitale/analogice, în timp ce stratul inferior este utilizat pentru semnalele auxiliare. Al doilea strat (stratul de masă) servește ca plan de referință pentru semnalele cu impedanță controlată și este utilizat pentru reducerea căderilor de IR și pentru ecranarea semnalelor digitale din stratul superior. În sfârșit, planul de alimentare se află pe al treilea strat (layer).

Planurile de alimentare și de masă trebuie să fie adiacente unul față de celălalt, deoarece acestea oferă o capacitanță suplimentară între planuri, care ajută la decuplarea de înaltă frecvență a sursei de alimentare.

Pentru stratul de masă, sfaturile s-au schimbat de-a lungul anilor în ceea ce privește proiectele cu semnal mixt. În toți acești ani, împărțirea planului de masă între cel analogic și cel digital a avut sens, dar pentru dispozitivele moderne cu semnal mixt, se recomandă o nouă abordare. Proiectarea adecvată a plăcii și separarea semnalelor ar trebui să prevină orice problemă cu semnalele zgomotoase.

Planul de masă: A separa sau a nu separa?

Figura 4: Curentul de întoarcere pentru un sistem cu un plan de masă solid. (© ADI)

Punerea la masă este un proces esențial în proiectarea layout-ului unui PCB cu semnal mixt. Un PCB tipic cu 4 straturi trebuie să aibă cel puțin un strat dedicat planului de masă pentru a asigura o cale de impedanță joasă pentru semnalele de întoarcere. Toți pinii de masă ai circuitelor integrate trebuie să fie rutați și conectați corect la planul de masă de impedanță scăzută pentru a minimiza inductanța și rezistența în serie.

A devenit o abordare standard de conectare la masă pentru sistemele cu semnal mixt pentru a separa masa analogică și cea digitală. Cu toate acestea, dispozitivele cu semnal mixt și curent digital redus pot fi gestionate cel mai bine cu o singură masă. Mergând mai departe, un proiectant trebuie să ia în considerare ce practică de conectare la masă se potrivește cel mai bine în funcție de cerințele de curent de semnal mixt. Există două practici de legare la masă de care un proiectant trebuie să țină cont.

Plan de masă unic

Pentru sistemele cu semnal mixt cu un singur ADC sau DAC și curent digital redus, cel mai bine ar fi să se folosească un singur plan de masă compact. Pentru a înțelege importanța unui singur strat de masă, trebuie să ne amintim de curentul de întoarcere. Acesta este curentul care circulă în timp ce se întoarce la masă și trece printre dispozitive pentru a finaliza o buclă. Pentru a preveni interferența de semnal mixt, fiecare cale de întoarcere trebuie să fie urmărită pe întreg layout-ul PCB-ului.

Circuitul simplu din figura 4 arată avantajul unui singur plan de masă solid față de un plan de masă separat. Curentul de semnal are un flux egal, dar opus curentului de întoarcere. Acest curent de întoarcere curge în planul de masă înapoi la sursă și va urma calea cu cea mai mică impedanță.

Pentru semnalele de frecvență joasă, curentul de întoarcere va urma calea cu cea mai mică rezistență, de obicei o linie dreaptă între punctele de referință la masă ale dispozitivelor. Cu toate acestea, pentru semnalele de frecvență mai mare, o anumită parte a curentului de întoarcere va încerca să urmeze calea de întoarcere a semnalului. Se întâmplă acest lucru deoarece impedanța este mai mică urmând această cale, întrucât se reduce la minimum dimensiunea buclei formate între curentul de ieșire și cel de întoarcere.

Figura 5: Curentul de întoarcere pentru sistemele cu un plan de masă separat. (© ADI)

Separarea la masă analogică și digitală

Pentru sistemele complexe, în care o schemă de legare solidă la masă poate fi dificil de realizat, o separare a masei poate fi mai potrivită. Un plan de masă divizat este o altă abordare populară în care planul de masă este împărțit în două: planul de masă analogic și cel digital. Acest lucru este aplicabil pentru sisteme mai complexe cu mai multe dispozitive cu semnal mixt care consumă un curent digital ridicat. Figura 5 prezintă un exemplu de sistem cu un plan de masă separat.

Pentru sistemele cu un plan de masă separat, cea mai simplă soluție pentru a obține o masă coerentă este de a elimina întreruperea planurilor de masă și de a permite curentului de întoarcere să urmeze un traseu mai direct prin intermediul unei joncțiuni de masă în formă de stea. Punctul de masă în stea este joncțiunea în care planurile de masă analogice și digitale sunt unite într-un proiect de layout de semnal mixt.

În sistemele obișnuite, legarea la masă în stea poate fi asociată cu o simplă joncțiune continuă îngustă între planurile de masă analogice și digitale. Pentru proiectele mai complexe, legarea la masă în stea este în mod obișnuit implementată printr-un șunt la un conector de masă. Nu este nevoie de un conector și de un șunt care să suporte un curent ridicat, deoarece nu va exista un flux de curent prin conexiunea la masă în stea, ci mai degrabă scopul său principal este de a se asigura că ambele mase au aceleași niveluri de referință.

Proiectanții trebuie să verifice întotdeauna recomandările de conectare la masă care se găsesc în fișa tehnică a fiecărui dispozitiv pentru a se asigura că specificațiile de conectare la masă vor fi respectate și pentru a evita problemele legate de conectarea la masă. În altă ordine de idei, în cazul dispozitivelor cu semnal mixt care au pini AGND și DGND, aceștia pot fi legați la planurile lor de masă respective, deoarece legarea la masă în stea va conecta, de asemenea, ambele mase la un singur punct. În acest fel, toți curenții digitali zgomotoși vor trece prin sursa de alimentare digitală până la planul de masă digital și înapoi la sursa digitală, fiind în același timp izolați de circuitele analogice sensibile. Izolarea planurilor AGND și DGND trebuie să fie implementată în toate layer-ele unui PCB multistrat.

Alte practici comune de punere la masă

Iată o procedură/listă de verificare pe care o puteți urma pentru a vă asigura că a fost implementată o schemă de conectare la masă adecvată într-un sistem analogic/digital cu semnal mixt:

  • Conectarea la punctul de stea ar trebui să se facă prin intermediul unor trasee late de cupru.
  • Verificați planul de masă pentru trasee înguste, deoarece aceste conexiuni sunt nedorite.
  • Este util să se prevadă pad-uri și vias-uri astfel încât planurile de masă analogice și digitale să poată fi conectate, dacă este necesar.

Concluzie

Proiectarea PCB-ului pentru aplicații cu semnal mixt poate fi o provocare. Crearea unui plan de amplasare a componentelor este doar punctul de plecare. Gestionarea corectă a layer-elor plăcii și pregătirea unei scheme adecvate de conectare la masă fac parte, de asemenea, din punctele cheie pe care un proiectant de sistem trebuie să le ia în considerare atunci când încearcă să obțină performanțe optime în cadrul unei proiectări de sistem cu semnal mixt. Pregătirea planului de dispunere a componentelor va contribui la stabilirea integrității generale a proiectului de sistem. O organizare adecvată a layer-elor plăcii va ajuta la gestionarea curenților și a semnalelor pe întreaga placă. În cele din urmă, alegerea celei mai avantajoase scheme de conectare la masă va îmbunătăți performanța sistemului și va preveni orice probleme legate de semnalele zgomotoase și de curentul de întoarcere.

Materialul prezentat în acest articol a fost realizat de mai mulți colaboratori, inclusiv Eric Carty, Genesis Garcia, Giovanni Aguirri, Brendan Somers, Stuart Servis, Leandro Peje, Mar Christian Lacida și Yoworex Tiu.

Referințe

Walt Kester. The Data Conversion Handbook. Analog Devices, Inc., 2005.
John Ardizzoni. “A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout.” Analog Dialogue, Vol. 39, No. 9, September 2005.
Ralph Morrison. Grounding and Shielding Techniques. John Wiley & Sons, Inc., 1998.
Thomas O’Shea. “AN-1349 Application Note: PCB Implementation Guidelines to Minimize Radiated Emissions on the ADM2582E/ADM2587E RS-485/RS-422 Transceivers.” Analog Devices, Inc., August 2018.
MT-101 Tutorial Decoupling Techniques.” Analog Devices, Inc., 2009.
Linear Circuit Design Handbook. Analog Devices, Inc., 2008.
Paul Brokaw. “AN-342 Application Note, Analog Signal-Handling for High Speed and Accuracy.” Analog Devices, Inc.
Walt Kester, James Bryant, and Mike Byrne. “MT-031 Tutorial Grounding Data Converters and Solving the Mystery of ‘AGND’ and ‘DGND’.” Analog Devices, Inc., 2009.
Paul Brokaw and Jeff Barrow. “AN-345 Application Note: Grounding for Low- and High-Frequency Circuits, Know Your Ground and Signal Paths for Effective Designs, Current Flow Seeks Path of Least Impedance–Not Just Resistance.” Analog Devices, Inc.
Doug Grant and Scott Wurce. “AN-348 Application Note: Avoiding Passive Component Pitfalls, The Wrong Passive Component Can Derail Even the Best Op Amp or Data Converter Here Are Some Basic Traps to Watch For.” Analog Devices, Inc.

Despre autori

May Anne Porley este inginer de aplicații la Analog Devices, Filipine, în cadrul grupului Automated Test Equipment (ATE). Ea s-a alăturat ADI în 2012 și oferă asistență pentru aplicații în cadrul portofoliilor de switch-uri, multiplexoare, traductoare de nivel și crosspoint switch-uri. May Anne a absolvit Universitatea De La Salle – Dasmariñas, Filipine, obținând o diplomă de licență în inginerie electronică.


Kevin Chesser
este inginer de aplicații de produs în cadrul grupului SMX de la ADI, Limerick. Este foarte pasionat de electronică și de problemele din lumea reală care pot fi rezolvate cu ajutorul tehnologiei. Kevin oferă asistență pentru clienți, concentrându-se pe familia de switch-uri și multiplexoare ADG7xx.

Analog Devices


Vizitați https://ez.analog.com


Contact România
:
Email: inforomania@arroweurope.com
Mobil: +40 731 016 104
Arrow Electronics | https://www.arrow.com

S-ar putea să vă placă și

Adaugă un comentariu