V tem članku je podrobno opisano, kaj je treba upoštevati pri načrtovanju postavitve tiskanih vezij za mešane signale. Obravnaval bo postavitev komponent, razporeditev plošč in upoštevanje ozemljitvene ravni. Smernice, obravnavane v tem članku, zagotavljajo praktičen pristop k načrtovanju razporeditve plošč z mešanimi signali in bi morale biti v pomoč inženirjem vseh profilov.
Analog Devices, Inc.
Avtorja: May Anne Porley in Kevin Chesser
Za zasnovo tiskanih vezij (TIV) z mešanimi signali je potrebno osnovno razumevanje analognih in digitalnih vezij, da bi zmanjšali, če ne celo preprečili, motnje med signali. Sodobni sistemi so sestavljeni iz komponent, ki delujejo tako na digitalnem kot na analognem področju, te pa je treba skrbno načrtovati, da se zagotovi celovitost signalov v celotnem sistemu.
Postavitev tiskanega vezja kot pomemben del procesa razvoja naprav z mešanimi signali je lahko zastrašujoča, postavitev komponent pa je le začetek. Upoštevati je treba tudi druge dejavnike, vključno s plastmi plošče in kako jih pravilno upravljati, da bi zmanjšali motnje zaradi parazitivnih kapacitivnosti, ki lahko nenamerno nastanejo med plastmi tiskanega vezja.
Ozemljitev je prav tako sestavni del načrtovanja postavitve tiskanega vezja v sistemu mešanih signalov. Medtem ko je ozemljitev pogosto obravnavana tema v industriji, pa oblikovanje standardiziranega pristopa ni vedno najenostavnejša naloga za vsakega inženirja. Na primer, eno samo vprašanje kakovostne ozemljitve lahko vpliva na celotno postavitev visoko zmogljivega sistema mešanih signalov. Zato tega področja ne smemo spregledati.
Postavitev komponent
Podobno kot pri gradnji hiše je treba pred namestitvijo sestavnih delov vezja izdelati tloris sistema. Ta korak bo določil splošno celovitost zasnove sistema in naj bi pomagal preprečiti šumeče motnje signalov.
Pri izdelavi tlorisa je priporočljivo slediti poti signala v shemi, zlasti pri hitrih vezjih. Lokacija komponente je prav tako kritičen vidik zasnove. Projektant mora biti sposoben prepoznati pomemben funkcionalni blok, signale in povezavo med bloki, da bi lahko določil najprimernejšo lokacijo vsake komponente v sistemu. Priključke je na primer bolje namestiti na robove plošče, medtem ko je treba pomožne komponente, kot so kristali in ločilni kondenzatorji, namestiti čim bližje napravi za mešane signale.
Razdelitev analognih in digitalnih blokov
Za zmanjšanje skupne povratne poti za analogne in digitalne signale se lahko razmisli o ločitvi analognih in digitalnih blokov, tako da se analogni signali ne mešajo z digitalnimi.
Slika 1 prikazuje dober primer ločitve analognega in digitalnega vezja.
Pri ločevanju analognih in digitalnih delov je treba upoštevati naslednje:
- Občutljive analogne komponente, kot so ojačevalniki in napetostne reference, je priporočljivo namestiti v analogno ravnino. Podobno je treba šumeče digitalne komponente, kot so logični krmilniki in časovni bloki, postaviti na drugo stran/digitalno ravnino.
- Če sistem vsebuje en analogno-digitalni pretvornik (ADC) ali digitalno-analogni pretvornik (DAC) z nizkimi digitalnimi tokovi, ga je mogoče obravnavati podobno kot analogne komponente, ki so vključene v analogno ravnino.
- Pri zasnovah z več kot enim ADC in DAC z visokim tokom je priporočljivo razdeliti analogno in digitalno napajanje. To pomeni, da mora biti AVCC vezan na analogni del, DVDD pa na digitalni del.
- Mikroprocesorji in mikrokontrolerji lahko zavzamejo veliko prostora in proizvajajo toploto. Te komponente je treba zaradi boljšega odvajanja toplote namestiti na sredino plošče, hkrati pa morajo biti blizu blokov vezij, s katerimi so povezani.
Blok napajalnika
Napajalnik je pomemben del vezja in ga je treba ustrezno obravnavati. Praviloma mora biti napajalni blok izoliran od preostalega vezja in hkrati ostati blizu komponent, ki jih napaja.
Kompleksni sistemi z napravami, ki imajo več napajalnih priključkov, lahko uporabljajo ločene napajalne bloke, namenjene analognemu in digitalnemu delu, da se izognejo šumečim digitalnim motnjam.
Po drugi strani pa mora biti napajalna trasa kratka, neposredna in široka, da se zmanjša induktivnost in prepreči omejevanje toka.
Ločilne tehnike
Razmerje dušenja napajanja (angl. power supply rejection ratio – PSRR) je eden od pomembnih parametrov, ki jih mora oblikovalec upoštevati pri doseganju ciljne zmogljivosti sistema. PSRR je merilo občutljivosti naprave glede na spremembe napajanja, ki na koncu določajo zmogljivost določene naprave.
Za vzdrževanje optimalnega PSRR je treba preprečiti vstop visokofrekvenčne energije v napravo. To lahko storite tako, da napajanje naprave ustrezno ločite od ozemljitvene ravnine z nizko impedanco s kombinacijo elektrolitskih in keramičnih kondenzatorjev.
Celoten koncept pravilne ločitve je ustvariti okolje z nizkim šumom, v katerem lahko vezje deluje. Osnovno pravilo je, da je treba tokom olajšati vračanje z zagotavljanjem najkrajše poti.
Oblikovalci morajo vedno preveriti priporočeno visokofrekvenčno filtriranje vsake naprave. Ta kontrolni seznam bo služil kot vodnik, saj bo vseboval splošne tehnike za ločevanje in njihovo pravilno izvajanje:
- Medtem ko elektrolitski kondenzatorji delujejo kot rezervoarji naboja za prehodne tokove, da bi zmanjšali nizkofrekvenčni šum na napajalnikih, keramični kondenzatorji z nizko induktivnostjo na drugi strani zmanjšujejo visokofrekvenčni šum. Tudi feritne dušilke so neobvezne, vendar dodajo dodatno izolacijo in dušenje visokofrekvenčnega šuma.
- Ločilne kondenzatorje je treba namestiti čim bližje napajalnim priključkom naprave. Ti kondenzatorji morajo biti povezani z veliko površino nizkoimpedančne ozemljitvene ploskve prek vie ali kratke vezi, da se zmanjša dodatna zaporedna induktivnost.
- Manjši kondenzator, običajno 0,01 μF do 0,1 μF, je treba namestiti čim bližje napajalnim priključkom naprave. Kadar ima naprava več izhodov, ki se preklapljajo hkrati, ta postavitev preprečuje nestabilnosti. Elektrolitski kondenzator, običajno od 10 μF do 100 μF, naj bo nameščen največ en centimeter stran od napajalnega priključka naprave.
- Za lažjo izvedbo lahko ločilne kondenzatorje povežete s povezavo tipa T z ozemljitveno ravnino z uporabo vij v bližini GND kontakta komponente, namesto da bi ustvarili linijo. Poglejte si vzorec na Sliki 2.
Plasti tiskanega vezja
Ko sta postavitev komponent in tloris določena, lahko preidemo na drugo dimenzijo zasnove plošče, ki jo običajno imenujemo plasti tiskanega vezja. Zelo priporočljivo je, da se pred načrtovanjem tiskanega vezja najprej upoštevajo plasti tiskanega vezja, saj bodo tako pri zasnovi sistema določene dovoljene poti povratnega toka.
Plast plošče je navpična razporeditev bakrenih plasti na plošči. Te plasti morajo upravljati tokove in signale po celotni plošči.
Vizualni prikaz slojev plošče je prikazan na Sliki 3. V preglednici 1 je podrobno opisana tipična nastavitev 4-slojnega tiskanega vezja.
Na splošno morajo imeti visoko zmogljivi sistemi za zbiranje podatkov štiri ali več plasti. Zgornja plast se pogosto uporablja za digitalne/analogne signale, medtem ko se spodnja plast uporablja za pomožne signale. Druga plast (ozemljitvena plast) služi kot referenčna ravnina za impedančno krmiljene signale in se uporablja za zmanjšanje padcev tokov in zaščito digitalnih signalov v zgornji plasti. Na koncu je na tretji plasti napajalna plast.
Napajalna in ozemljitvena plast morata biti druga ob drugi, saj zagotavljata dodatno medplastno kapacitivnost, ki pomaga pri visokofrekvenčni ločitvi napajanja.
Za ozemljitveni sloj so se z leti spremenili nasveti za zasnovo mešanih signalov. V preteklih letih je bilo smiselno ozemljitveno plast razdeliti na analogno in digitalno, vendar je za sodobne naprave z mešanim signalom priporočljiv nov pristop. Pravilno načrtovanje plasti in ločevanje signalov naj bi preprečilo težave s šumečimi signali.
Ozemljitvena plast: ločiti ali ne ločiti?
Ozemljitev je bistven postopek pri načrtovanju postavitve tiskanega vezja za mešane signale. Tipično štirislojno tiskano vezje mora imeti vsaj eno plast, namenjeno ozemljitveni ravnini, da se zagotovi nizkoimpedančna pot za povratne signale. Vse GND priključke integriranih vezij je treba pravilno usmeriti in povezati z nizkoimpedančno ozemljitveno ravnino, da se čim bolj zmanjšata zaporedna induktivnost in upornost.
Pri sistemih z mešanimi signali je ozemljitev, ki ločuje analogno in digitalno ozemljitev postala standardna. Vendar je naprave z mešanimi signali z nizkim digitalnim tokom mogoče najbolje upravljati z eno samo ozemljitvijo. Oblikovalec mora razmisliti, katera praksa ozemljitve je najprimernejša glede na zahteve za tok mešanega signala. Oblikovalec mora upoštevati dve praksi ozemljitve.
Enojna plast ozemljitve
Za sisteme z mešanimi signali z enim ADC ali DAC z nizkim digitalnim tokom je najboljši pristop celotna enojna ozemljitvena ravnina. Da bi razumeli pomen enotne ozemljitvene plasti, se moramo spomniti povratnega toka. Povratni tok je tok, ki teče med vračanjem na ozemljitveni priključek in sledmi med napravami, da se zaključi zanka. Da bi preprečili motnje mešanih signalov, je treba vsako povratno pot spremljati po celotni postavitvi tiskanega vezja.
Enostavno vezje na Sliki 4 prikazuje prednost celotne ozemljitvene plasti pred razdeljeno ozemljitveno plastjo. Tok signala ima enako velik povratni tok. Ta povratni tok teče po ozemljitveni ravnini nazaj k viru in bo tekel po poti najnižje impedance.
Pri nizkofrekvenčnih signalih bo povratni tok potekal po poti najmanjšega upora, običajno po ravni črti med referenčnima točkama ozemljitve naprav. Vendar bo pri signalih višjih frekvenc določen del povratnega toka poskušal slediti poti signala nazaj. To je zato, ker je impedanca po tej poti manjša, saj se s tem zmanjša velikost zanke, ki nastane med izhodnim in povratnim tokom.
Ločevanje analognih in digitalnih ozemljitev
Pri kompleksnih sistemih, kjer je težko doseči shemo celotne ozemljitvene plasti, je morda primernejša deljena ozemljitvena plast. Deljena ozemljitvena plast je še en priljubljen pristop, pri katerem je ozemljitvena plast razdeljena na dve: analogno in digitalno ozemljitveno plast. To je uporabno za kompleksnejše sisteme z več napravami z mešanimi signali, ki porabljajo velik digitalni tok. Slika 5 prikazuje primer sistema z deljeno ozemljitveno plastjo.
Pri sistemih z deljeno ozemljitveno plastjo je najpreprostejša rešitev za dosego kohezivne ozemljitve odstranitev prekinitve ozemljitvenih plasti in omogočanje bolj neposredne poti povratnega toka prek zvezdnega ozemljitvenega spoja. Zvezdna ozemljitev je stik, kjer se na zasnovi postavitve mešanega signala združita analogna in digitalna ozemljitvena raven.
V običajnih sistemih je lahko zvezdna ozemljitev povezana s preprostim ozkim nadaljevalnim stičiščem med analogno in digitalno ozemljitveno ravnjo. Pri bolj zapletenih zasnovah se zvezdna ozemljitev običajno izvede s premostitvenim šuntom na ozemljitveni priključek. Ni potreben visok tok, ki bi tekel preko konektorja in preklopnega šunta, saj v zvezdni ozemljitvi ne teče tok, temveč je njen glavni namen zagotoviti, da imata obe ozemljitvi enake referenčne nivoje.
Oblikovalci morajo vedno preveriti priporočila za ozemljitev, ki so navedena v podatkovnem listu vsake naprave, da zagotovijo izpolnjevanje specifikacij za ozemljitev in se izognejo težavam, povezanim z ozemljitvijo. Pri napravah z mešanimi signali, ki imajo AGND in DGND priključke, jih lahko povežete z ustreznima ozemljitvenima ravninama, saj bo zvezdna ozemljitev povezala obe ozemljitvi v eni točki. Na ta način bodo vsi šumeči digitalni tokovi tekli skozi digitalno napajanje do digitalne ozemljitvene ravnine in nazaj v digitalno napajanje, pri čemer bodo izolirani od občutljivega analognega vezja. Izolacijo ravnin AGND in DGND je treba izvesti na vseh plasteh večplastnega tiskanega vezja.
Druge pogoste prakse ozemljitve
Tukaj je postopek/kontrolni seznam, ki ga lahko upoštevate, da zagotovite ustrezno shemo ozemljitve v analognem/digitalnem sistemu z mešanim signalom:
Široke bakrene linije morajo tvoriti povezave na zvezdni točki.
Na ozemljitveni ravnini preverite ozke linije, saj so te povezave nezaželene.
Koristno je zagotoviti priključke in vie, da lahko po potrebi povežete analogno in digitalno ozemljitveno ravnino.
Zaključek
Postavitev tiskanega vezja za aplikacije z mešanimi signali je lahko izziv. Izdelava načrta komponent je le izhodišče. Ustrezno upravljanje slojev plošče in priprava ustrezne sheme ozemljitve sta prav tako del ključnih točk, ki jih mora oblikovalec sistema upoštevati, ko poskuša doseči optimalno zmogljivost pri postavitvi sistemov za mešane signale. Priprava načrta komponent bo pomagala določiti splošno celovitost zasnove sistema. Ustrezna organizacija plasti plošče bo pomagala pri upravljanju tokov in signalov po celotni plošči. Nazadnje bo izbira najugodnejše sheme ozemljitve izboljšala delovanje sistema in preprečila morebitne težave s šumnimi signali in povratnimi tokovi.
Zahvala
Gradivo, predstavljeno v tem članku, je bilo zbrano s pomočjo številnih sodelavcev, med katerimi so Eric Carty, Genesis Garcia, Giovanni Aguirri, Brendan Somers, Stuart Servis, Leandro Peje, Mar Christian Lacida in Yoworex Tiu.
Reference:
- WaltKester. TheDataConversionHandbook.AnalogDevices,Inc.,2005.
- John Ardizzoni.“APracticalGuidetoHigh-SpeedPrinted-Circuit-BoardLayout.” AnalogDialogue,Vol.39,No.9, September2005.
- RalphMorrison.GroundingandShieldingTechniques.JohnWiley&Sons, Inc.,1998.
- Thomas O’Shea.“AN-1349 Application Note: TIV Implementation Guidelines to Minimize Radiated Emissions on the ADM2582E/ADM2587E RS-485/RS-422 Transceivers.” Analog Devices, Inc., August 2018.
- “MT-101TutorialDecouplingTechniques.”AnalogDevices,Inc.,2009.
- LinearCircuitDesignHandbook.AnalogDevices,Inc.,2008.
- PaulBrokaw.“AN-342ApplicationNote,AnalogSignal-HandlingforHighSpeedand 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 ComponentPitfalls, The Wrong Passive ComponentCan Derail Even the Best Op Amp or Data Converter Here Are Some Basic Traps to Watch For.” Analog Devices, Inc.
O avtorju
May Anne Porley je aplikativna inženirka pri podjetju Analog Devices na Filipinih v skupini za avtomatizirano testno opremo (ATE). Podjetju ADI se je pridružila leta 2012 in zagotavlja aplikativno podporo za portfelje stikal, multiplekserjev, prilagodilnikov nivojev in križnih stikal. May Anne je diplomirala na univerzi De La Salle-Dasmariñas na Filipinih, kjer je diplomirala iz elektronike.
O avtorju
Kevin Chesser je bil inženir za uporabo izdelkov v skupini SMX pri podjetju ADI v Limericku. Zelo strastno se ukvarja z elektroniko in s problemi iz resničnega sveta, ki jih je mogoče rešiti z uporabo tehnologije. Kevin je zagotavljal podporo strankam, pri čemer se je osredotočal na družino stikal in multipleksorjev ADG7xx.
