Überlegungen zum Mixed-Signal-Layout

Ziemlich oft enthält ein Design einer Leiterplatte (PCB) sowohl einen analogen Abschnitt als auch einen digitalen Abschnitt. Der analoge Abschnitt bereitet typischerweise ein Signal für die Digitalisierung auf und der digitale Abschnitt wandelt das analoge Signal in ein digitales um und wirkt dann auf das jetzt digitale Bereichssignal ein. Die Trennung dieser beiden Blöcke eines PCB-Designs ist sehr wichtig, um die Integrität der analogen Schaltung sicherzustellen. Analoge Schaltungen sind typischerweise sehr anfällig für Rauschsignale und digitale Schaltungen sind typischerweise sehr elektrisch verrauscht. Dieser Artikel versucht, einige allgemeine Regeln zur Vermeidung von Layoutproblemen mit gemischten Signalen zu beleuchten und den besten Ansatz zur Isolierung Ihres analogen Schaltungsteils von seinem digitalen Gegenstück zu diskutieren.

Hintergrund

Als kurzen Überblick ist es wichtig, den Rückweg von Hochgeschwindigkeits-Wechselstromsignalen zu diskutieren. Bei der Untersuchung des Rückwegs eines Gleichstromsignals ist dieser Weg einfach der Weg des geringsten Widerstands zurück zur Ursprungskomponente. AC-Signal-Rückpfade folgen jedoch dem Pfad der geringsten Impedanz. Dies bedeutet, dass Rückpfadströme von Wechselsignalen auf den Bereich unterhalb ihrer Ursprungssignalspuren lokalisiert bleiben. Die Ausnahme von dieser Regel besteht darin, dass Sie, wenn Sie die Masseebene unter einem Hochgeschwindigkeits-Wechselstromsignal durchbrechen, den Rückstrom für das Signal zwingen, eine strahlende Schleife zu erzeugen. Diese Art von Schleife ist sowohl Quelle als auch Senke für abgestrahltes Rauschen und sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Dieser kurze Überblick soll den Leser an eine der beiden Grundregeln der EMI-Reduktion (elektromagnetische Interferenz) erinnern:Halten Sie Rückpfade so nah wie möglich an ihren Ursprungssignalpfaden, um die Entstehung von Rückstromschleifen zu vermeiden. Die andere Grundregel der EMI-Reduzierung besteht darin, sicherzustellen, dass Sie nur eine Referenzebene verwenden. Wenn zwei verwendet werden, wird die Leiterplatte effektiv zu einer Dipolantenne. Lassen Sie uns mit diesem kurzen Überblick zu den Besonderheiten des Mixed-Signal-Layouts übergehen.

Mixed-Signal-Topologien

Ziemlich oft besteht die erste Neigung eines Designers darin, einfach den analogen Teil der Platine vom digitalen Teil zu trennen, indem er ein analoges und ein digitales Erdungsschema verwendet. Das Problem bei einem solchen Schema ist, dass, wenn Verbindungen von der digitalen zur analogen Seite der Platine hergestellt werden, die Platine (wie im vorherigen Abschnitt besprochen) effektiv zu einer Dipolantenne wird. Jedes derartige Design ist sowohl von Natur aus anfällig für elektrisches Rauschen als auch selbst sehr elektrisch verrauscht.

Ein weiterer gängiger Ansatz für dieses Problem besteht darin, die analoge und digitale Masse einfach an einem einzigen Punkt miteinander zu verbinden (ziemlich häufig die negative Schiene der Stromversorgung, die für das Design verwendet wird). Dies ist jedoch eine sehr schlechte Lösung, da alle Spuren, die die digitale mit der analogen Seite der Platine verbinden, jetzt eine Rahmenantenne durch den Erdungspunkt bilden, die sowohl von Ihrem Design abstrahlt als auch elektrisches Rauschen in Ihr Design empfängt. Zusätzlich erzeugen die Leiterbahnen, die die unabhängigen Erdungsteile Ihrer Platine miteinander verbinden, effektiv eine Dipolantenne. Beide Effekte erzeugen ein sehr lautes und rauschanfälliges Design.

Ein weiterer gängiger (wenn auch etwas effektiverer) Ansatz zum Entwerfen einer Mixed-Signal-Platine ist eine Konfiguration, bei der die analogen und digitalen Teile der Platine über eine "Brücke" direkt miteinander verbunden sind. Während die digitale und die analoge Masse in einem solchen Schema direkt miteinander verbunden sind, werden alle Verbindungsspuren von der analogen zur digitalen Seite der Platine über den Teil der Platine geführt, wo die analoge und die digitale Masse verbunden sind. Auf diese Weise haben die Hochgeschwindigkeits-Wechselstromsignale, die zwischen den beiden Schaltungen laufen, einen direkten Rückweg, aber die Erdungsebenen sind immer noch etwas getrennt. Diese Konfiguration vom Brückentyp ermöglicht theoretisch, dass die digitale Seite der Platine die gleiche Masseebene wie die analoge Seite der Platine hat, jedoch mit etwas weiterer Isolierung, als dass die beiden Teile der Platine einfach eine durchgehende Masseebene teilen. Obwohl diese Art der Konfiguration normalerweise zu einer gut funktionierenden Platine führt, warum sollten Sie überhaupt eine Brücke verwenden? Die Rückströme von Hochgeschwindigkeits-Wechselstromsignalen bleiben von Natur aus sehr nahe an ihren Ursprungsspuren, sodass die Notwendigkeit einer Brücke durch sorgfältiges Routing digitaler Signale vermieden werden kann.

Der beste und einfachste Ansatz zur Fertigstellung eines Mixed-Signal-Layouts besteht darin, die Leiterplatte einfach in eine analoge Partition und eine digitale Partition zu unterteilen. Diese beiden Partitionen können sich dann die gleiche Masseebene teilen, die aus einer PCB-breiten Kupferschicht besteht. Interferenzen zwischen den beiden Seiten können dann leicht vermieden werden, indem die digitalen Hochgeschwindigkeitssignale nicht auf den analogen Teil der Leiterplatte geleitet werden.

Daraus folgt, dass in jeder dieser Konfigurationen die Trennlinie, an der die Partitionen getrennt sind, die logische Stelle des Analog-Digital-Wandlers oder der Wandler ist, die im PCB-Design verwendet werden. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Analog-Digital-Wandler isolierte analoge und digitale Masseebenen überspannen, aber wie bereits erwähnt, besteht eine sehr gute Lösung darin, die Analog-Digital-Wandler einfach entlang der Trennlinie der digitalen und analogen Teile der Platine zu platzieren. wobei die Platine eine einzige durchgehende Masseebene hat.

Abschließend seien noch andere Ansätze erwähnt, um den analogen vom digitalen Teil der Platine zu trennen. Es ist nicht ungewöhnlich, den digitalen Teil der Platine optisch mit der analogen Seite zu koppeln, indem optische Isolatoren verwendet werden. Auf diese Weise können die analogen und digitalen Teile der Platine tatsächlich ihre eigenen elektrisch isolierten Masseebenen haben. Diese Art der Konfiguration funktioniert auch, indem die beiden Teile einer Leiterplatte mithilfe eines Transformators isoliert werden, wobei die beiden Seiten der Leiterplatte magnetisch gekoppelt sind. Obwohl beide Ansätze gültig sind, sind sie in der Regel Spezialanwendungen vorbehalten.

Allgemeine Regeln

Hier ist eine Zusammenfassung der allgemeinen Regeln für das Layout einer Mixed-Signal-Leiterplatte:
• Beginnen Sie damit, die analogen und digitalen Teile Ihres Designs zu definieren.
• Unterteilen Sie Ihre Leiterplatte in einen analogen und einen digitalen Teil.
• Stellen Sie sicher, dass digitale Komponenten und analoge Komponenten ihren jeweiligen Partitionen zugewiesen sind.
• Führen Sie niemals digitale Signale durch den analogen Teil der Karte und niemals analoge Signale durch den digitalen Teil der Karte.
• Platzieren Sie Analog-Digital-Wandler so, dass sie die Trennlinie zwischen den analogen und digitalen Partitionen der Platine überspannen.
• Die Verwendung einer einzigen soliden Masseebene führt zu den besten Ergebnissen, mit dem zusätzlichen Vorteil von Dies ist der einfachste Ansatz.
• Wenn eine Signalspur von der analogen zur digitalen Partition geführt werden muss, stellen Sie sicher, dass sie sich vollständig über der Masseebene der Platine befindet.

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