Considerazioni sul layout mixed-signal

Spesso un progetto di circuito stampato (PCB) contiene sia una sezione analogica che una sezione digitale. La sezione analogica in genere condiziona un segnale per la digitalizzazione e la sezione digitale converte il segnale analogico in uno digitale e quindi agisce sul segnale ormai nel dominio digitale. La segregazione di questi due blocchi di unProgettazione PCBè molto importante per garantire l’integrità dei circuiti analogici. I circuiti analogici sono in genere altamente sensibili ai segnali di rumore e i circuiti digitali sono di solito molto rumorosi dal punto di vista elettrico. Questo articolo cercherà di fare luce su alcune regole generali per evitare problemi di layout a segnale misto e discuterà il miglior approccio per isolare la parte analogica del circuito dalla sua controparte digitale.

Contesto

Come rapido ripasso, è importante discutere il percorso di ritorno dei segnali CA ad alta velocità. Quando si esamina il percorso di ritorno di un segnale CC, tale percorso sarà semplicemente quello a minima resistenza per tornare al componente di origine. I percorsi di ritorno dei segnali CA seguono invece il percorso a minima impedenza. Ciò significa che le correnti del percorso di ritorno dei segnali CA rimangono localizzate nell’area al di sotto delle piste del segnale da cui hanno origine. L’eccezione a questa regola è che, quando si interrompe il piano di massa al di sotto di un segnale CA ad alta velocità, si costringe la corrente di ritorno di tale segnale a creare un anello radiante. Questo tipo di anello è sia una sorgente sia un ricettore di rumore irradiato ed è da evitare quando possibile. Questo breve ripasso dovrebbe ricordare al lettore una delle due regole di base dell’EMI (interferenza elettromagnetica) riduzione: Mantieni i percorsi di ritorno il più vicino possibile ai rispettivi percorsi del segnale di origine per evitare di creare anelli di corrente di ritorno. L’altra regola di base per la riduzione delle EMI è assicurarsi di utilizzare un solo piano di riferimento. Se se ne usano due, il PCB diventerà di fatto un’antenna a dipolo. Con questa rapida revisione in mente, passiamo ora agli aspetti specifici del layout a segnale misto.

Topologie a segnale misto

Molto spesso la prima inclinazione di un progettista è semplicemente quella di separare la parte analogica della scheda da quella digitale utilizzando uno schema di messa a terra analogico e uno digitale. Il problema con uno schema di questo tipo è che, quando vengono effettuati collegamenti dal lato digitale al lato analogico della scheda, la scheda (come discusso nella sezione precedente) diventa di fatto un’antenna a dipolo. Qualsiasi progetto di questo tipo sarà intrinsecamente sia suscettibile al rumore elettrico sia, allo stesso modo, molto rumoroso dal punto di vista elettrico.

Un altro approccio comune a questo problema è semplicemente collegare la massa analogica e quella digitale in un unico punto (molto spesso il polo negativo dell’alimentatore utilizzato nel progetto). Questa è però una soluzione molto scadente, poiché qualsiasi pista che colleghi il lato digitale a quello analogico della scheda andrà ora a formare un’antenna ad anello attraverso il punto di connessione di massa, che irradierà rumore elettrico dal tuo progetto e, allo stesso tempo, lo riceverà all’interno del tuo progetto. Inoltre, le piste che collegano tra loro le porzioni di massa indipendenti della scheda creeranno di fatto un’antenna a dipolo. Entrambi gli effetti produrranno un progetto molto rumoroso e molto suscettibile al rumore.

Un altro approccio comune (anche se leggermente più efficace) alla progettazione di una scheda a segnale misto è una configurazione in cui le parti analogica e digitale della scheda sono collegate direttamente tra loro tramite un “ponte”. Sebbene in uno schema di questo tipo le masse digitale e analogica siano collegate direttamente tra loro, tutte le piste di collegamento dal lato analogico al lato digitale della scheda sono instradate al di sopra della porzione della scheda in cui le masse analogica e digitale sono collegate. In questo modo i segnali CA ad alta velocità che passano tra i due circuiti avranno un percorso di ritorno diretto, ma i piani di massa rimarranno comunque in qualche modo separati. Questa configurazione di tipo ponte consentirà, in teoria, al lato digitale della scheda di avere lo stesso piano di massa del lato analogico, ma con un ulteriore isolamento rispetto al semplice fatto di far condividere alle due porzioni della scheda un piano di massa continuo. Sebbene questo tipo di configurazione porti in genere a una scheda dalle buone prestazioni, perché usare un ponte in primo luogo? Le correnti di ritorno dei segnali CA ad alta velocità rimarranno intrinsecamente molto vicine alle piste da cui hanno origine, quindi la necessità di un ponte può essere evitata con un instradamento accorto dei segnali digitali.

Il modo migliore e più semplice per completare un layout a segnali misti è semplicemente dividere ilscheda elettronicain una partizione analogica e una partizione digitale. Queste due partizioni possono quindi condividere lo stesso piano di massa, che sarà costituito da un’ampia colata di rame sul PCB. Le interferenze tra i due lati possono quindi essere facilmente evitate non instradando i segnali digitali ad alta velocità nella porzione analogica del PCB.

Ne consegue che, in ciascuna di queste configurazioni, la linea di separazione tra le partizioni sarà il punto logico in cui collocare il convertitore o i convertitori analogico‑digitali utilizzati nel progetto del PCB. Non è raro vedere convertitori analogico‑digitali che si estendono tra piani di massa analogici e digitali isolati, ma, come discusso, un’ottima soluzione è semplicemente posizionare i convertitori analogico‑digitali lungo la linea di separazione tra le porzioni digitale e analogica della scheda, dove la scheda dispone di un unico piano di massa continuo.

Infine, vale la pena menzionare altri approcci per isolare la parte analogica da quella digitale della scheda. Non è raro accoppiare otticamente la parte digitale della scheda con il lato analogico tramite l’uso di isolatori ottici. In questo modo le parti analogica e digitale della scheda possono effettivamente avere i propri piani di massa elettricamente isolati. Questo tipo di configurazione funziona anche isolando le due sezioni di un PCB mediante un trasformatore, in cui i due lati della scheda sono accoppiati magneticamente. Sebbene entrambi gli approcci siano validi, sono tipicamente riservati ad applicazioni specialistiche.

Regole generali