Principios clave para layout PCB de señal mixta fiable

A menudo un diseño PCB contiene sección analógica y digital. La analógica suele acondicionar señal para digitalización; la digital convierte a digital y actúa sobre la señal en dominio digital. Segregar estos dos bloques es crucial para integridad del circuito analógico. Circuitos analógicos son altamente susceptibles a ruido; digitales son eléctricamente ruidosos. Este artículo arroja luz sobre reglas generales para evitar problemas layout señal mixta y discute mejor enfoque para aislar circuito analógico de su contraparte digital.

Fundamentos

Repaso rápido: ruta retorno de señales AC alta velocidad. En CC, ruta retorno = menor resistencia. En AC, = menor impedancia. Corrientes retorno AC permanecen localizadas bajo trazas origen. Excepción: romper plano tierra bajo señal AC alta velocidad fuerza corriente retorno a crear bucle radiador. Este bucle es fuente y sumidero de ruido radiado, evitar cuando posible. Recordatorio: dos reglas básicas reducción EMI: (1) Mantener rutas retorno cerca de trazas origen para evitar bucles corriente retorno. (2) Usar solo un plano referencia. Si se usan dos, PCB se convierte en antena dipolo. Con esto, procedamos a layout señal mixta.

Topologías señal mixta

Primera inclinación: separar parte analógica de digital usando esquema tierra analógica y digital. Problema: al conectar digital a analógico, PCB se convierte en antena dipolo. Diseño inherentemente susceptible a ruido y ruidoso.

Otro enfoque común: conectar tierras analógica y digital en un solo punto (a menudo raíl negativo de fuente alimentación). Muy mala solución: trazas conectando digital a analógico forman antena bucle a través de punto conexión tierra, radiando y recibiendo ruido. Además, trazas conectando porciones tierra independientes crean antena dipolo. Ambos efectos: diseño muy ruidoso y susceptible.

Enfoque ligeramente más eficaz: configuración "puente" (bridge) donde analógico y digital se conectan directamente por un "puente". Tierras conectadas directamente, pero todas las trazas de conexión analógico-digital enrutadas sobre zona donde tierras se conectan. Así, señales AC alta velocidad entre circuitos tienen ruta retorno directa, pero planos tierra siguen algo segregados. Teóricamente permite misma ground plane con algo más aislamiento que ground plane continua. Aunque suele resultar en placa que funciona bien, ¿por qué usar puente? Corrientes retorno alta velocidad inherentemente se mantienen cerca de trazas origen, así que necesidad de puente evitable con enrutado cuidadoso de señales digitales.

Mejor y más fácil enfoque: dividir placa en partición analógica y digital. Ambas comparten mismo plano tierra (copper pour a lo ancho de PCB). Interferencia entre lados evitada fácilmente no enrutando señales digitales alta velocidad en porción analógica.

La línea divisoria donde particiones se separan será ubicación lógica de convertidor(es) analógico-digital (ADC). No es inusual ver ADCs sobre planos tierra aislados, pero buena solución: colocar ADCs a lo largo de línea divisoria de porciones digital/analógica, donde placa tiene ground plane continuo.

Otros enfoques para aislar analógico de digital: acoplar ópticamente porción digital con analógica vía optoacopladores. Así, ambas porciones tienen ground planes eléctricamente aislados. También funciona aislar con transformador (acoplamiento magnético). Ambos válidos, pero reservados para aplicaciones especializadas.

Reglas generales

Resumen reglas para layout PCB señal mixta:

• Definir porciones analógica y digital de tu diseño.
• Particionar PCB en porción analógica y digital.
• Asignar componentes digitales y analógicos a sus respectivas particiones.
• Nunca enrutar señales digitales por porción analógica ni señales analógicas por porción digital.
• Colocar convertidores analógico-digital straddling (a caballo) línea divisoria entre particiones analógica y digital.
• Usar un solo plano tierra sólido produce mejores resultados, con beneficio añadido de ser enfoque más fácil.
• Si traza señal debe enrutarse de partición analógica a digital, asegurar que está totalmente sobre plano tierra de la placa.

Recursos útiles

• Método supresión reflexión señal en layout PCB alta velocidad
• Desafíos diseño PCB alta velocidad en integridad señal y soluciones
• Análisis integridad señal y diseño PCB en circuito mixto digital-analógico alta velocidad
• Control impedancia vias y su influencia en integridad señal en diseño PCB
• Servicio completo fabricación PCB PCBCart - Opciones valor añadido
• Servicio avanzado ensamblaje PCB PCBCart - Desde 1 pieza