ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ДЛЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИ

30.05.2023 |

Проектирование печатной платы со смешанными сигналами требует специального опыта в области разработки аналоговых и цифровых устройств, Компоновка печатной платы как важная часть процесса проектирования систем для обработки смешанных сигналов является достаточно сложным процессом, а размещение компонентов заслуживает отдельного внимания. Существуют и другие факторы, которые необходимо учитывать при проектировании такой печатной платы, включая проектирование слоев многослойной платы и способы их оптимального расположения для минимизации помех, вызванных паразитными емкостями, которые образуются между соседними слоями печатной платы.
Заземление также является неотъемлемым процессом проектирования печатной платы для работы со смешанными сигналами.

Размещение компонентов
При разработке печатной платы рекомендуется учитывать направление прохождения сигналов, особенно для высокочастотных цепей. Расположение компонентов также является важным аспектом проектирования печатной платы. Разработчик печатной платы должен выделить основные функциональные узлы схемы, сигналы и связи между этими узлами, чтобы определить наилучшее расположение каждого компонента в схеме. Разъемы, например, лучше размещать по краям платы, а вспомогательные компоненты, такие как развязывающие конденсаторы, размещать как можно ближе к ИМС, в которых обрабатываются смешанные сигналы.

Разделение аналоговых и цифровых узлов
Чтобы свести к минимуму прохождение аналоговых и цифровых сигналов на печатной плате в непосредственной близости друг от друга, целесообразно разделить расположение аналоговых и цифровых узлов таким образом, чтобы пути прохождения аналоговых и цифровых сигналов были разнесены в пределах печатной платы, как показано на рис. 1.
Особенности разнесения аналоговых и цифровых узлов на печатной плате для смешанных сигналов:
• аналоговые компоненты, такие как усилители и источники опорного напряжения, рекомендуется размещать в аналоговой секции. Цифровые компоненты, излучающие шумы, такие как логические элементы управления и синхронизации, должны быть размещены в цифровой секции на печатной плате
• если устройство содержит АЦП или ЦАП с малыми токами в регистрах управления, их можно рассматривать, как аналоговые компоненты, и размещать в аналоговой секции
• для изделий с несколькими АЦП и ЦАП с большими токами управления рекомендуется разделять цепи аналогового и цифрового питания, т.е. цепь аналогового питания AVCC должна находиться в аналоговой секции, а цепь цифрового питания DVDD – в цифровой секции на печатной плате
• микропроцессоры и микроконтроллеры могут занимать много места на печатной плате и выделять большое количество тепла. Эти компоненты должны быть размещены в центре печатной платы для лучшего отвода тепла.

Рис. 1. Разнесение аналоговых и цифровых узлов на печатной плате

Размещение источника питания на печатной плате
Как правило, источник питания должен быть изолирован от остальной схемы и в то же время находиться рядом с остальными компонентами. Сложные устройства, как правило, используют несколько напряжений питания, предназначенных отдельно для аналоговых и отдельно для цифровых цепей. Это позволяет уменьшить уровень шумов в сигнальных цепях, наводимых по цепям питания.
Проводящие дорожки от источников питания должны иметь небольшую длину и достаточную ширину для прохождения больших токов.

Применение гальванической развязки
Коэффициент изменения напряжения питания (PSRR) — один из важных параметров, который необходимо учитывать при разработке печатной платы. Для поддержания оптимального уровня PSRR необходимо предотвратить возможность проникновения высокочастотных сигналов в цепи питания.
Это обеспечивается путем развязки источника питания от заземляющего слоя с низким импедансом с помощью электролитических и керамических конденсаторов.
Основное правило развязки состоит в том, чтобы обеспечить возврат обратного тока к источнику питания по кратчайшему пути. Необходимо учитывать требования по применению фильтров в цепях высокочастотных ИМС, приведенные в технической документации к этим ИМС.

Следует учитывать, что в то время как электролитические конденсаторы работают как зарядные устройства для переходных токов, чтобы свести к минимуму низкочастотный шум в цепях источника питания, керамические конденсаторы с малой индуктивностью позволяют ослабить высокочастотный шум. Кроме того, применение ферритовых колец, хотя и не является обязательным, но позволяет дополнительно ослабить уровень высокочастотного шума.
Развязывающие конденсаторы должны располагаться как можно ближе к контактным площадкам источника питания. Эти конденсаторы должны подключаться к низкоимпедансному заземляющему слою с большой площадью через переходные отверстия, чтобы свести к минимуму дополнительную паразитную индуктивность.
Конденсатор небольшого размера, обычно от 0,01 до 0,1 мкФ, следует размещать как можно ближе к контактным площадкам выводов питания ИМС. Электролитический конденсатор, обычно емкостью от 10 мкФ до 100 мкФ, следует размещать на расстоянии не более одного дюйма от контактной площадки питания ИМС. Для упрощения конструкции печатной платы развязывающие конденсаторы можно соединить с контактной площадкой ИМС через Т-образное соединение и с земляным слоем через переходное отверстие рядом с выводом GND электронного компонента, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Пример установки развязывающего конденсатора на печатной плате с помощью Т-образного соединения

Особенности проектирования многослойной
печатной платы
После того, как размещение компонентов на многослойной печатной плате завершено, необходимо перейти к проектированию ее слоев. Требования к слоям следует определить до разводки платы. Это позволит определить возможные пути обратного тока. Слои 4-слойной печатной платы показаны на рис. 3. В табл. 1 приведена типовая организация 4-слойной печатной платы.
Как правило, высокопроизводительные системы сбора данных имеют четыре или более слоев. Верхний слой обычно используется для цифровых и аналоговых цепей, а нижний слой используется для вспомогательных сигналов. Второй или земляной слой служит для разводки цепей земли и для экранирования цифровых сигналов в верхнем слое.

Рис. 3. Пример 4-слойной печатной платы

Третий или силовой слой используется для разводки цепей питания. Земляной и силовой слои находятся друг под другом и образуют дополнительную паразитную емкость, которая позволяет улучшить высокочастотную развязку цепей питания.

Таблица 1. Типовая конфигурация слоев 4-слойной печатной платы

Номер слоя Назначение слоя
1 Верхний слой 一 предназначен для аналоговых и цифровых сигналов
2 Земляной слой
3 Слой для цепей питания
4 Дополнительный нижний слой

Земляной слой
Организация заземления является важным процессом при проектировании печатной платы со смешанными сигналами. Типовая 4-слойная печатная плата должна иметь, по крайней мере, один слой для заземления, чтобы обеспечить путь с низким импедансом для обратных токов. Все контакты заземления интегральной схемы должны быть подключены к шине земли на земляном слое с низким импедансом, чтобы свести к минимуму паразитную индуктивность.
Стандартным подходом к заземлению для систем со смешанными сигналами является разделение аналогового и цифрового заземления. Тем не менее, устройства со смешанными сигналами с малым цифровым током лучше работают с одним заземлением. Исходя из этого, разработчик должен решить, какой тип заземления лучше всего подходит для проектируемой системы обработки смешанных сигналов. Далее рассмотрим два возможных подхода к решению этой проблемы.

Сплошной земляной слой
Для систем со смешанными сигналами с одним АЦП или ЦАП и малым цифровым током лучшим выбором будет сплошной одиночный земляной слой, как показано на рис. 4.
Из рис. 4 видно преимущество сплошного земляного слоя по сравнению со слоем, разделенным на два, т.е. на слой с аналоговым и слой с цифровым заземлением.

Рис. 4. Обратный ток для системы со сплошным заземлением

В этом случае сигнальный ток имеет равный, но противоположный по направлению путь по отношению к обратному току. Обратный ток течет в заземляющем слое к источнику питания по пути наименьшего импеданса.
Для низкочастотных сигналов обратный ток будет проходить по пути наименьшего сопротивления, обычно это прямая линия между точками заземления. Для высокочастотных сигналов определенная часть обратного тока будет следовать в противоположном направлении, т.е. по пути прохождения полезного сигнала. Это связано с тем, что в данном направлении для высокочастотного тока импеданс ниже, поскольку этот ток минимизирует размер петли, образованной между прямым и обратным током.
Разделение аналоговой и цифровой земли
Для сложных систем, для которых сложно реализовать сплошную схему заземления, целесообразно использовать раздельное заземление. Разделенный заземляющий слой – часто применяемый подход, при котором земляной слой разделяется на два слоя, т.е. образует аналоговую и цифровую землю. Такое решение применяется при большом количестве устройств со смешанными сигналами, потребляющими большой ток по цифровой шине питания. На рис. 5 приведен пример системы с раздельными земляными слоями.
Для систем с раздельной землей простейшее решение состоит в том, чтобы обеспечить обратному току наиболее короткий путь через звездообразный заземляющий переход, как показано на рис. 5, где соединяется аналоговая и цифровая земля. Отметим, что при выборе того или иного типа заземления следует руководствоваться рекомендациями по заземлению, содержащимися в технической документации на каждое устройство.

Рис. 5. Обратный ток в системе смешанных
сигналов с разделением земляных слоев

Если устройства со смешанными сигналами имеют выводы аналоговой AGND и цифровой DGND земли, то эти выводы должны быть подключены к соответствующим земляным слоям. При этом все шумовые цифровые токи будут протекать через цифровой источник питания к цифровому заземлению и обратно к цифровому источнику питания, и будут изолированы от аналоговой земли. Изоляция цепей AGND и DGND должна быть реализована на всех слоях многослойной печатной платы.
При проектировании заземления в системах обработки смешанных сигналов необходимо, кроме того, использовать следующие рекомендации:
• в точке соединения типа звезда должны быть использованы широкие медные проводниковые дорожки
• в земляном слое, аналоговом и цифровом, не должно быть узких проводниковых дорожек
• целесообразно предусмотреть на плате дополнительные контактные площадки и переходные отверстия, чтобы при необходимости имелась возможность соединения аналоговой и цифровой земли.

ВЫВОДЫ
Компоновка и разводка печатной платы для приложений со смешанными сигналами является сложной задачей. Надлежащее распределение слоев платы и разработка оптимальной схемы заземления являются одними из ключевых моментов при обеспечении оптимальной производительности системы обработки данных со смешанными сигналами. Решение этих задач дает возможность успешно обеспечить требуемые параметры проектируемого устройства или системы.