ПРОЕКТУВАННЯ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ ДЛЯ СИСТЕМ ОБРОБКИ ДАНИХ ЗІ ЗМІШАНИМИ СИГНАЛАМИ

Проєктування друкованої плати зі змішаними сигналами вимагає спеціального досвіду в області розробки аналогових і цифрових пристроїв. Компонування друкованої плати як важлива частина процесу проєктування систем для обробки змішаних сигналів є досить складним процесом, а розміщення компонентів заслуговує окремої уваги. Існують і інші фактори, які необхідно враховувати при проєктуванні такої друкованої плати, включаючи проєктування шарів багатошарової плати і способи їх оптимального розташування для мінімізації перешкод, викликаних паразитними ємностями, які утворюються між сусідніми шарами друкованої плати.

Заземлення також є невід’ємним процесом проєктування друкованої плати для роботи зі змішаними сигналами.

Розміщення компонентів

При розробці друкованої плати рекомендується враховувати напрямок проходження сигналів, особливо для високочастотних ланцюгів. Розташування компонентів також є важливим аспектом проєктування друкованої плати. Розробник друкованої плати повинен виділити основні функціональні вузли схеми, сигнали і зв’язки між цими вузлами, щоб визначити найкраще розташування кожного компонента в схемі. Роз’єми, наприклад, краще розміщувати по краях плати, а допоміжні компоненти, такі як розв’язувальні конденсатори, розміщувати якомога ближче до ІМС, в яких обробляються змішані сигнали.

Розділення аналогових і цифрових вузлів

Щоб звести до мінімуму проходження аналогових і цифрових сигналів на друкованій платі в безпосередній близькості один від одного, доцільно розділити розташування аналогових і цифрових вузлів таким чином, щоб шляхи проходження аналогових і цифрових сигналів були рознесені в межах друкованої плати, як показано на рис. 1.

Особливості рознесення аналогових і цифрових вузлів на друкованій платі для змішаних сигналів:

– аналогові компоненти, такі як підсилювачі і джерела опорної напруги, рекомендується розміщувати в аналоговій секції. Цифрові компоненти, що випромінюють шуми, такі як логічні елементи управління і синхронізації, повинні бути розміщені в цифровій секції на друкованій платі;
– якщо пристрій містить АЦП або ЦАП з малими струмами в регістрах управління, їх можна розглядати як аналогові компоненти і розміщувати в аналоговій секції;
– для виробів з кількома АЦП і ЦАП з великими струмами управління рекомендується розділяти ланцюги аналогового і цифрового живлення, тобто ланцюг аналогового живлення AVCC повинен знаходитися в аналоговій секції, а ланцюг цифрового живлення DVDD – у цифровій секції на друкованій платі;
– мікропроцесори і мікроконтролери можуть займати багато місця на друкованій платі і виділяти велику кількість тепла. Ці компоненти повинні бути розміщені в центрі друкованої плати для кращого відводу тепла.

Розміщення джерела живлення на друкованій платі

Як правило, джерело живлення повинно бути ізольоване від решти схеми і в той же час знаходитися поруч з іншими компонентами. Складні пристрої, як правило, використовують кілька напруг живлення, призначених окремо для аналогових і окремо для цифрових ланцюгів. Це дозволяє зменшити рівень шумів у сигнальних ланцюгах, що наводяться по ланцюгах живлення.

Провідні доріжки від джерел живлення повинні мати невелику довжину і достатню ширину для проходження великих струмів.

Застосування гальванічної розв’язки

Коефіцієнт зміни напруги живлення (PSRR) — один з важливих параметрів, який необхідно враховувати при розробці друкованої плати. Для підтримання оптимального рівня PSRR необхідно запобігти можливості проникнення високочастотних сигналів у ланцюги живлення.

Це забезпечується шляхом розв’язки джерела живлення від заземлюючого шару з низьким імпедансом за допомогою електролітичних і керамічних конденсаторів.

Основне правило розв’язки полягає в тому, щоб забезпечити повернення зворотного струму до джерела живлення по найкоротшому шляху. Необхідно враховувати вимоги щодо застосування фільтрів у ланцюгах високочастотних ІМС, наведені в технічній документації до цих ІМС.

Слід враховувати, що в той час як електролітичні конденсатори працюють як зарядні пристрої для перехідних струмів, щоб звести до мінімуму низькочастотний шум у ланцюгах джерела живлення, керамічні конденсатори з малою індуктивністю дозволяють послабити високочастотний шум. Крім того, застосування феритових кілець, хоча і не є обов’язковим, але дозволяє додатково послабити рівень високочастотного шуму.

Розв’язувальні конденсатори повинні розташовуватися якомога ближче до контактних майданчиків джерела живлення. Ці конденсатори повинні підключатися до низькоімпедансного заземлюючого шару з великою площею через перехідні отвори, щоб звести до мінімуму додаткову паразитну індуктивність.

Конденсатор невеликого розміру, зазвичай від 0,01 до 0,1 мкФ, слід розміщувати якомога ближче до контактних майданчиків виводів живлення ІМС. Електролітичний конденсатор, зазвичай ємністю від 10 мкФ до 100 мкФ, слід розміщувати на відстані не більше одного дюйма від контактного майданчика живлення ІМС. Для спрощення конструкції друкованої плати розв’язувальні конденсатори можна з’єднати з контактним майданчиком ІМС через Т-подібне з’єднання і з земляним шаром через перехідне отвір поряд з виводом GND електронного компонента, як показано на рис. 2.

Особливості проєктування багатошарової друкованої плати

Після того, як розміщення компонентів на багатошаровій друкованій платі завершено, необхідно перейти до проєктування її шарів. Вимоги до шарів слід визначити до розводки плати. Це дозволить визначити можливі шляхи зворотного струму. Шари 4-шарової друкованої плати показані на рис. 3. У табл. 1 наведена типова організація 4-шарової друкованої плати.

Як правило, високопродуктивні системи збору даних мають чотири або більше шарів. Верхній шар зазвичай використовується для цифрових і аналогових ланцюгів, а нижній шар використовується для допоміжних сигналів. Другий або земляний шар служить для розводки ланцюгів землі і для екранування цифрових сигналів у верхньому шарі.

Третій або силовий шар використовується для розводки ланцюгів живлення. Земляний і силовий шари знаходяться один під одним і утворюють додаткову паразитну ємність, яка дозволяє покращити високочастотну розв’язку ланцюгів живлення.

Таблиця 1. Типова конфігурація шарів 4-шарової друкованої плати

Земляний шар

Організація заземлення є важливим процесом при проєктуванні друкованої плати зі змішаними сигналами. Типова 4-шарова друкована плата повинна мати, принаймні, один шар для заземлення, щоб забезпечити шлях з низьким імпедансом для зворотних струмів. Усі контакти заземлення інтегральної схеми повинні бути підключені до шини землі на земляному шарі з низьким імпедансом, щоб звести до мінімуму паразитну індуктивність.

Стандартним підходом до заземлення для систем зі змішаними сигналами є розділення аналогового і цифрового заземлення. Тим не менш, пристрої зі змішаними сигналами з малим цифровим струмом краще працюють з одним заземленням. Виходячи з цього, розробник повинен вирішити, який тип заземлення найкраще підходить для проєктованої системи обробки змішаних сигналів. Далі розглянемо два можливих підходи до вирішення цієї проблеми.

Суцільний земляний шар

Для систем зі змішаними сигналами з одним АЦП або ЦАП і малим цифровим струмом найкращим вибором буде суцільний одиночний земляний шар, як показано на рис. 4.

З рис. 4 видно перевагу суцільного земляного шару порівняно зі шаром, розділеним на два, тобто на шар з аналоговим і шар з цифровим заземленням.

У цьому випадку сигнальний струм має рівний, але протилежний за напрямком шлях по відношенню до зворотного струму. Зворотний струм тече в заземлюючому шарі до джерела живлення по шляху найменшого імпедансу.

Для низькочастотних сигналів зворотний струм буде проходити по шляху найменшого опору, зазвичай це пряма лінія між точками заземлення. Для високочастотних сигналів певна частина зворотного струму буде слідувати в протилежному напрямку, тобто по шляху проходження корисного сигналу. Це пов’язано з тим, що в даному напрямку для високочастотного струму імпеданс нижчий, оскільки цей струм мінімізує розмір петлі, утвореної між прямим і зворотним струмом.

Розділення аналогової і цифрової землі

Для складних систем, для яких складно реалізувати суцільну схему заземлення, доцільно використовувати роздільне заземлення. Розділений заземлюючий шар — часто застосовуваний підхід, при якому земляний шар розділяється на два шари, тобто утворює аналогову і цифрову землю. Таке рішення застосовується при великій кількості пристроїв зі змішаними сигналами, що споживають великий струм по цифровій шині живлення. На рис. 5 наведено приклад системи з роздільними земляними шарами.

Для систем з роздільною землею найпростіше рішення полягає в тому, щоб забезпечити зворотному струму найбільш короткий шлях через зіркоподібний заземлюючий перехід, як показано на рис. 5, де з’єднується аналогова і цифрова земля. Відзначимо, що при виборі того чи іншого типу заземлення слід керуватися рекомендаціями щодо заземлення, що містяться в технічній документації на кожен пристрій.

Якщо пристрої зі змішаними сигналами мають виводи аналогової AGND і цифрової DGND землі, то ці виводи повинні бути підключені до відповідних земляних шарів. При цьому всі шумові цифрові струми будуть протікати через цифрове джерело живлення до цифрового заземлення і назад до цифрового джерела живлення, і будуть ізольовані від аналогової землі. Ізоляція ланцюгів AGND і DGND повинна бути реалізована на всіх шарах багатошарової друкованої плати.

При проєктуванні заземлення в системах обробки змішаних сигналів необхідно, крім того, використовувати такі рекомендації:

– у точці з’єднання типу зірка повинні бути використані широкі мідні провідникові доріжки;
– у земляному шарі, аналоговому і цифровому, не повинно бути вузьких провідникових доріжок;
– доцільно передбачити на платі додаткові контактні майданчики і перехідні отвори, щоб при необхідності малася можливість з’єднання аналогової і цифрової землі.

Висновки

Компонування і розводка друкованої плати для застосувань зі змішаними сигналами є складним завданням. Належний розподіл шарів плати і розробка оптимальної схеми заземлення є одними з ключових моментів при забезпеченні оптимальної продуктивності системи обробки даних зі змішаними сигналами. Вирішення цих завдань дає можливість успішно забезпечити потрібні параметри проєктованого пристрою або системи.