Überlegungen zum Mixed-Signal-Layout

Sehr häufig enthält ein Leiterplattendesign (PCB) sowohl einen analogen als auch einen digitalen Abschnitt. Der analoge Abschnitt bereitet ein Signal typischerweise für die Digitalisierung auf, und der digitale Abschnitt wandelt das analoge Signal in ein digitales um und verarbeitet anschließend das nun im digitalen Bereich vorliegende Signal. Die Trennung dieser beiden Blöcke einerPCB-Designist sehr wichtig, um die Integrität der analogen Schaltung zu gewährleisten. Analoge Schaltungen sind in der Regel äußerst anfällig für Störsignale, und digitale Schaltungen sind typischerweise sehr elektrisch störungsanfällig. Dieser Artikel wird versuchen, einige allgemeine Regeln zur Vermeidung von Problemen beim Mixed-Signal-Layout zu beleuchten und den besten Ansatz zur Isolierung des analogen Schaltungsteils von seinem digitalen Gegenstück zu erörtern.

Hintergrund

Zur kurzen Wiederholung ist es wichtig, den Rückweg von Hochgeschwindigkeits-Wechselstromsignalen zu besprechen. Betrachtet man den Rückweg eines Gleichstromsignals, so ist dieser einfach der Weg des geringsten Widerstands zurück zur ursprünglichen Komponente. Die Rückwege von Wechselstromsignalen folgen jedoch dem Weg der geringsten Impedanz. Das bedeutet, dass die Rückströme von Wechselstromsignalen lokal im Bereich unterhalb ihrer ursprünglichen Signalleitungen bleiben. Die Ausnahme von dieser Regel ist, dass, wenn man die Massefläche unter einem Hochgeschwindigkeits-Wechselstromsignal unterbricht, man den Rückstrom dieses Signals dazu zwingt, eine abstrahlende Schleife zu bilden. Eine solche Schleife ist sowohl eine Quelle als auch eine Senke für abgestrahltes Rauschen und sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Diese kurze Wiederholung sollte den Leser an eine der beiden Grundregeln der EMV erinnern (elektromagnetische Störung) Reduzierung: Halten Sie Rückstrompfade so nah wie möglich an ihren ursprünglichen Signalpfaden, um die Bildung 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. Mit diesem kurzen Rückblick im Hinterkopf wollen wir nun zu den Einzelheiten des Mixed-Signal-Layouts übergehen.

Gemischte Signal-Topologien

Sehr häufig besteht die erste Neigung eines Entwicklers einfach darin, den analogen Teil der Leiterplatte vom digitalen Teil zu trennen, indem ein analoges und ein digitales Erdungsschema verwendet wird. Das Problem bei einem solchen Schema ist, dass, wenn Verbindungen von der digitalen zur analogen Seite der Leiterplatte hergestellt werden, die Leiterplatte (wie im vorherigen Abschnitt erläutert) effektiv zu einer Dipolantenne wird. Jedes derartige Design ist sowohl von Natur aus anfällig für elektrische Störungen als auch selbst sehr elektrisch störungsreich.

Ein weiterer gängiger Ansatz für dieses Problem besteht darin, die analoge und die digitale Masse einfach an einem einzigen Punkt miteinander zu verbinden (häufig ist dies die negative Schiene der im Design verwendeten Stromversorgung). Dies ist jedoch eine sehr schlechte Lösung, da alle Leiterbahnen, die die digitale mit der analogen Seite der Platine verbinden, nun über den Masseverbindungspunkt eine Schleifenantenne bilden, die sowohl von Ihrem Design abstrahlt als auch elektrische Störungen in Ihr Design einkoppelt. Zusätzlich bilden die Leiterbahnen, die die getrennten Massebereiche Ihrer Platine miteinander verbinden, effektiv eine Dipolantenne. Beide Effekte führen zu einem sehr störungsreichen und störanfälligen Design.

Ein weiterer gängiger (wenn auch etwas wirksamerer) Ansatz zur Auslegung einer Mixed-Signal-Platine ist eine Konfiguration, bei der die analogen und digitalen Bereiche der Platine direkt über eine „Brücke“ miteinander verbunden sind. Während in einem solchen Schema die digitalen und analogen Massen direkt miteinander verbunden sind, werden alle Verbindungsleiterbahnen von der analogen zur digitalen Seite der Platine über den Bereich der Platine geführt, in dem die analoge und die digitale Masse verbunden sind. Auf diese Weise haben die hochfrequenten Wechselstromsignale, die zwischen den beiden Schaltungen verlaufen, einen direkten Rückstrompfad, aber die Masseflächen bleiben dennoch bis zu einem gewissen Grad voneinander getrennt. Diese Brückenkonfiguration ermöglicht es theoretisch, dass die digitale Seite der Platine dieselbe Massefläche wie die analoge Seite der Platine hat, jedoch mit etwas mehr Isolation, als wenn beide Bereiche der Platine einfach eine durchgehende Massefläche teilen würden. Obwohl diese Art der Konfiguration typischerweise zu einer Platine führt, die gut funktioniert, stellt sich die Frage, warum man überhaupt eine Brücke verwendet. Die Rückströme hochfrequenter Wechselstromsignale verlaufen von Natur aus sehr nahe an ihren ursprünglichen Leiterbahnen, sodass die Notwendigkeit einer Brücke durch eine sorgfältige Führung der Digitalsignale vermieden werden kann.

Der beste und einfachste Ansatz zur Fertigstellung eines Mixed-Signal-Layouts besteht einfach darin, dieLeiterplattein eine analoge Partition und eine digitale Partition. Diese beiden Partitionen können sich dann dieselbe Massefläche teilen, die aus einer großflächigen Kupferfüllung auf der Leiterplatte besteht. Störungen zwischen den beiden Seiten können dann leicht vermieden werden, indem die hochfrequenten Digitalsignale nicht in den analogen Bereich der Leiterplatte geführt werden.

Daraus folgt, dass in jeder dieser Konfigurationen die Trennlinie, an der die Partitionen getrennt werden, der logische Ort für den oder die im PCB-Design verwendeten Analog-Digital-Wandler ist. Es ist nicht ungewöhnlich, Analog-Digital-Wandler zu sehen, die sich über isolierte analoge und digitale Masseflächen erstrecken, aber wie besprochen ist eine sehr gute Lösung, die Analog-Digital-Wandler einfach entlang der Trennlinie zwischen den digitalen und analogen Bereichen der Leiterplatte zu platzieren, an der die Leiterplatte eine einzige durchgehende Massefläche aufweist.

Abschließend ist es erwähnenswert, dass es noch andere Ansätze gibt, um den analogen vom digitalen Teil der Leiterplatte zu isolieren. Es ist nicht ungewöhnlich, den digitalen Teil der Leiterplatte mithilfe von Optokopplern optisch mit der analogen Seite zu koppeln. Auf diese Weise können der analoge und der digitale Teil der Leiterplatte tatsächlich jeweils ihre eigenen, elektrisch isolierten Masseflächen haben. Eine solche Konfiguration funktioniert auch, indem die beiden Bereiche einer Leiterplatte mithilfe eines Transformators isoliert werden, wobei die beiden Seiten der Leiterplatte magnetisch gekoppelt sind. Obwohl beide Ansätze gültig sind, werden sie in der Regel für Spezialanwendungen vorbehalten.

Allgemeine Regeln