Consideraciones sobre el diseño de señales mixtas

Muy a menudo, el diseño de una placa de circuito impreso (PCB) contendrá tanto una sección analógica como una sección digital. La sección analógica normalmente acondiciona una señal para la digitalización y la sección digital convierte la señal analógica en digital y luego actúa sobre la señal de dominio ahora digital. Separar estos dos bloques de un diseño de PCB es muy importante para asegurar la integridad de los circuitos analógicos. 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 luz sobre algunas reglas generales para evitar problemas de diseño de señales mixtas y discutirá el mejor enfoque para aislar la parte de su circuito analógico de su contraparte digital.

Antecedentes

Como revisión rápida, es importante analizar la ruta de retorno de las señales de CA de alta velocidad. Al examinar la ruta de retorno de una señal de CC, dicha ruta será simplemente la ruta de menor resistencia de regreso al componente de origen. Sin embargo, las rutas de retorno de la señal de CA siguen la ruta de menor impedancia. Esto significa que las corrientes de la ruta de retorno de la señal de CA permanecen localizadas en el área debajo de los rastros de la señal de origen. La excepción a esta regla es que cuando rompe el plano de tierra debajo de una señal de CA de alta velocidad, forzará la corriente de retorno de dicha señal para crear un bucle de radiación. Este tipo de bucle es tanto una fuente como un sumidero para el ruido radiado y debe evitarse cuando sea posible. Esta breve revisión debe recordarle al lector una de las dos reglas básicas de la reducción de EMI (interferencia electromagnética):mantenga las rutas de retorno lo más cerca posible de las rutas de la señal de origen para evitar la creación de 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 utilizan dos, la placa de circuito impreso se convertirá efectivamente en una antena dipolo. Con esta revisión rápida en la mano, pasemos a los detalles del diseño de señal mixta.

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 mediante el uso de un esquema de conexión a tierra analógico y digital. El problema con tal esquema es que cuando las conexiones se hacen desde el lado digital al analógico de la placa, la placa (como se discutió 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, muy ruidoso eléctricamente.

Otro enfoque común para este problema es simplemente conectar la conexión a tierra analógica y digital en un solo punto (muy a menudo el riel negativo de la fuente de alimentación que se usa con el diseño). Sin embargo, esta es una solución muy mala, ya que cualquier rastro que conecte el lado digital al analógico de la placa ahora formará una antena de cuadro a través del punto de conexión a tierra que irradiará desde su diseño y recibirá ruido eléctrico en su diseño. Además, las pistas que conectan las partes de tierra independientes de su placa crearán de manera efectiva una antena dipolo. Ambos efectos producirán un diseño muy ruidoso y susceptible al ruido.

Otro enfoque común (aunque un poco 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 a través de un "puente". Mientras que las tierras digitales y analógicas están directamente conectadas entre sí en dicho esquema, todas las trazas de conexión del lado analógico al digital de la placa se enrutan por encima de la parte de la placa donde están conectadas las tierras analógicas y digitales. De esta forma, las señales de CA de alta velocidad que van entre los dos circuitos tendrán un camino de retorno directo, pero los planos de tierra seguirán estando algo separados. Esta configuración de tipo puente, en teoría, permitirá que el lado digital de la placa tenga el mismo plano de tierra que el lado analógico de la placa, pero con un mayor aislamiento que el simple hecho de que las dos partes de la placa compartan un plano de tierra continuo. Si bien este tipo de configuración generalmente dará como resultado una placa que funciona bien, ¿por qué usar un puente en primer lugar? Las corrientes de retorno de la señal de CA de alta velocidad permanecerán intrínsecamente muy cerca de sus trazas de origen, por lo que se puede evitar la necesidad de un puente mediante el enrutamiento consciente de las señales digitales.

El mejor y más fácil enfoque para completar un diseño de señal mixta es simplemente dividir la placa de circuito en una partición analógica y una partición digital. Estas dos particiones pueden compartir el mismo plano de tierra, que estará constituido por un vertido de cobre de ancho de PCB. La interferencia entre los dos lados se puede evitar fácilmente al no enrutar las señales digitales de alta velocidad a la parte analógica de la PCB.

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

Finalmente, vale la pena mencionar otros enfoques para aislar la parte analógica de la parte digital del tablero. No es raro acoplar ópticamente la parte digital de la placa con el lado analógico mediante el uso de aisladores ópticos. De esta forma, las partes analógica y digital de la placa pueden tener sus propios planos de tierra eléctricamente aislados. Este tipo de configuración también funciona aislando las dos partes de una PCB usando un transformador, donde los dos lados de la placa se acoplan magnéticamente. Si bien ambos enfoques son válidos, por lo general se reservan para aplicaciones especiales.

Reglas generales

Aquí hay un resumen de las reglas generales para diseñar una PCB de señal mixta:
• Comience definiendo las partes analógicas y digitales de su diseño.
• Divida su PCB en una porción analógica y otra digital.
• Asegúrese de que los componentes digitales y los componentes analógicos estén asignados a sus respectivas particiones.
• Nunca enrute señales digitales a través de la parte analógica de la placa y nunca enrute señales analógicas a través de la parte digital de la placa.
• Coloque los convertidores de analógico a digital de tal manera que abarquen la línea divisoria entre las particiones analógica y digital de la placa.
• El uso de un solo plano de tierra sólido producirá los mejores resultados, con el beneficio adicional de siendo el enfoque más fácil.
• Si se debe enrutar un rastro de señal de la partición analógica a la digital, asegúrese de que esté ubicado completamente sobre el plano de tierra de la placa.

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