Consideraciones de diseño de señal mixta

Con bastante frecuencia, un diseño de placa de circuito impreso (PCB) contiene tanto una sección analógica como una sección digital. La sección analógica normalmente acondiciona una señal para su digitalización y la sección digital convierte la señal analógica en una digital y luego actúa sobre la señal ya en el dominio digital. La segregación de estos dos bloques de unDiseño de PCBes muy importante para garantizar la integridad de la circuitería analógica. Los circuitos analógicos suelen ser muy susceptibles a las señales de ruido y los circuitos digitales suelen ser muy ruidosos eléctricamente. Este artículo intentará arrojar algo de luz sobre algunas reglas generales para evitar problemas de diseño de señales mixtas y analizar el mejor enfoque para aislar la parte analógica de su circuito de su contraparte digital.

Antecedentes

Como una revisión rápida, es importante analizar la trayectoria de retorno de las señales de CA de alta velocidad. Al examinar la trayectoria de retorno de una señal de CC, dicha trayectoria será simplemente el camino de menor resistencia de vuelta al componente de origen. Sin embargo, las trayectorias de retorno de señales de CA siguen el camino de menor impedancia. Esto significa que las corrientes de la trayectoria de retorno de señales de CA permanecen localizadas en el área debajo de sus pistas de señal de origen. La excepción a esta regla es que, cuando se interrumpe el plano de tierra debajo de una señal de CA de alta velocidad, se obligará a la corriente de retorno de dicha señal a crear un bucle radiante. Este tipo de bucle es tanto una fuente como un sumidero de ruido radiado y debe evitarse siempre que sea posible. Esta breve revisión debería recordarle al lector una de las dos reglas básicas de EMI (interferencia electromagnética) reducción: Mantenga las trayectorias de retorno lo más cerca posible de sus trayectorias de señal de origen para evitar crear bucles de corriente de retorno. La otra regla básica de la reducción de EMI es asegurarse de usar solo un plano de referencia. Si se usan dos, entonces la PCB se convertirá efectivamente en una antena dipolo. Con este breve repaso en mano, pasemos a los detalles del diseño de señales mixtas.

Topologías de señal mixta

Muy a menudo, la primera inclinación de un diseñador es simplemente separar la parte analógica de la placa de la parte digital utilizando un esquema de puesta a tierra analógica y digital. El problema con dicho esquema es que, cuando se realizan conexiones desde el lado digital al lado analógico de la placa, esta (como se analizó en la sección anterior) se convierte efectivamente en una antena dipolo. Cualquier diseño de este tipo será intrínsecamente susceptible al ruido eléctrico y, de manera similar, será en sí mismo muy ruidoso eléctricamente.

Otro enfoque común para este problema es simplemente conectar la tierra analógica y la digital en un solo punto (muy a menudo el riel negativo de la fuente de alimentación que se utiliza en el diseño). Sin embargo, esta es una solución muy deficiente, ya que cualquier pista que conecte el lado digital con el lado analógico de la placa formará ahora una antena de bucle a través del punto de conexión a tierra, la cual irradiará ruido eléctrico desde tu diseño y también lo recibirá en tu diseño. Además, las pistas que conectan las porciones independientes de tierra de tu placa crearán efectivamente una antena dipolo. Ambos efectos producirán un diseño muy ruidoso y susceptible al ruido.

Otro enfoque común (aunque ligeramente más efectivo) para diseñar una placa de señal mixta es una configuración en la que las partes analógica y digital de la placa están conectadas directamente entre sí mediante un “puente”. Aunque las tierras digital y analógica están conectadas directamente entre sí en este esquema, todas las pistas que conectan desde el lado analógico al lado digital de la placa se enrutan por encima de la parte de la placa donde las tierras analógica y digital están conectadas. De este modo, las señales CA de alta velocidad que van entre los dos circuitos tendrán un camino de retorno directo, pero los planos de tierra seguirán estando algo segregados. Esta configuración tipo puente permitirá, en teoría, que el lado digital de la placa tenga el mismo plano de tierra que el lado analógico de la placa, pero con algo más de aislamiento que simplemente hacer que las dos partes de la placa compartan un plano de tierra continuo. Aunque este tipo de configuración normalmente dará como resultado una placa que funciona bien, ¿por qué usar un puente en primer lugar? Las corrientes de retorno de las señales de CA de alta velocidad se mantendrán de forma inherente muy cerca de sus pistas de origen, por lo que la necesidad de un puente puede evitarse mediante un enrutamiento cuidadoso de las señales digitales.

El mejor y más sencillo enfoque para completar un diseño de señal mixta es simplemente dividir elplaca de circuitoen una partición analógica y una partición digital. Estas dos particiones pueden entonces compartir el mismo plano de tierra, que estará constituido por un vertido de cobre de ancho de PCB. La interferencia entre los dos lados puede evitarse fácilmente si no se enrutan las señales digitales de alta velocidad en la parte analógica de la PCB.

Se deduce que, en cualquiera de estas configuraciones, la línea divisoria donde se separan las particiones será la ubicación lógica del convertidor o convertidores analógico-digitales utilizados en el diseño de la PCB. No es raro ver convertidores analógico-digitales que se extienden entre planos de tierra analógicos y digitales aislados, pero, como se ha comentado, una muy buena solución es simplemente colocar los convertidores analógico-digitales a lo largo de la línea divisoria entre las partes digital y analógica de la placa, donde la placa tiene un único plano de tierra continuo.

Por último, vale la pena mencionar otros enfoques para aislar la parte analógica de la parte digital de la placa. No es raro acoplar ópticamente la parte digital de la placa con la parte analógica mediante el uso de aisladores ópticos. De este modo, las partes analógica y digital de la placa pueden tener, de hecho, sus propios planos de tierra eléctricamente aislados. Este tipo de configuración también funciona aislando las dos partes de una PCB mediante un transformador, donde los dos lados de la placa se acoplan magnéticamente. Aunque ambos enfoques son válidos, normalmente se reservan para aplicaciones especiales.

Reglas generales