DC-bewusster Rückstrom in Mixed-Signal-PCBs

Ein gängiger Entwurfsgrundsatz für Hochgeschwindigkeits-PCBs lautet: Achten Sie auf den Rückstrompfad Ihrer Signale. Das ist tatsächlich viel einfacher, als es klingt, da der Rückweg für ein schnelles digitales Signal oder sogar ein Signal mit moderater analoger Frequenz in erheblichem Maße unter der Leiterbahn verläuft. Bei sehr niedrigen Frequenzen oder Gleichstrom könnte der Rückweg technisch gesehen überall existieren, was zu einigen alternativen Routing-Praktiken führt, die Sie in Audio-Designs, Designs für Schnittstellen mit niedriger Frequenz und reinen Gleichstromsystemen sehen könnten. Die Massefläche bietet lediglich einen Vorteil in Bezug auf die EMI-Abschirmung, aber sie begrenzt den Rückweg nicht direkt unter den Leiterbahnen.

Es gibt einige Geräte, die bei niedrigen Frequenzen oder Gleichstrom arbeiten, und diese Geräte schließen auch einen Stromkreis ab und haben daher einen Rückweg. Also, wenn Sie eines dieser Geräte verwenden müssen und wir annehmen, dass der SNR-Wert des Geräts niedrig ist, wie können Sie sicherstellen, dass die Rückwegschleife keine Anfälligkeit für Rauschen erzeugt?

Hier möchte ich einige Möglichkeiten aufzeigen, wie Sie mit diesen Arten von Komponenten arbeiten können, bei denen ein sehr niedrigfrequentes Signal oder ein Gleichstromsignal gemessen werden muss, aber der Rückweg verfolgt werden muss, um sicherzustellen, dass die Stromschleife eng ist. Wir werden unten einige spezifische Fälle untersuchen.

Wo ist der Gleichstrom-Rückweg?

Ich und viele andere haben Zeichnungen wie die unten dargestellte gezeigt, die den Unterschied zwischen einem Wechselstrom-Rückweg entlang einer Leiterbahn und einem Gleichstrom-Rückweg für dieselbe Leiterbahn veranschaulichen soll. Ohne tiefer in die Physik einzusteigen, werde ich einfach feststellen, dass allgemein bekannt ist, dass der Wechselstrom-Rückweg der Pfad des geringsten Impedanz ist, während der Gleichstrom-Rückweg der Pfad des geringsten Widerstands ist.

Ich habe diese Rückwegzeichnung 2019 erstellt, um konzeptionell zu veranschaulichen, was mit Gleichströmen passiert, die in einer Ebene fließen; erfahren Sie mehr in diesem Artikel.

Mit diesem kleinen Informationshäppchen aus dem Weg geräumt, denken wir jetzt darüber nach, wie man Gleichstrom-Rückströme in spezifischen Situationen dort halten kann, wo man sie haben möchte. Es sollte klar sein, dass der Gleichstrom-Rückweg überall sein könnte, einschließlich unter der Eingangsleitung (unter der Annahme einer einseitigen Schnittstelle). Diese Tatsache sowie die Leiterschnittstelle zu Ihren Komponenten bestimmen, wie der Gleichstrom-Rückweg begrenzt werden kann und Sie bei niedrigen Frequenzen eine geringe Geräuschentwicklung erreichen können. Um zu sehen, wie das mit verschiedenen analoge Komponenten oder Sensoren funktioniert, werfen wir einen Blick auf einige Beispiele.

Sensor mit einer differentiellen Schnittstelle

Differentielle Schnittstellen sind nicht nur für differentielle Paare gedacht, die Hochgeschwindigkeitssignale übertragen. Niedrigfrequenz- oder analoge Schnittstellen können ebenfalls differentiell sein. Das Auslesen des Niedrigfrequenz- oder Gleichstromsignals funktioniert in diesem Fall auf die gleiche Weise: Die Spannung des Signals wird als Potenzialdifferenz zwischen den beiden Leitern genommen. Beispiele für diese Komponenten umfassen:

• RTD-Sensor
• Drucksensoren
• Ausgang eines Differenzverstärkers
• Positionssensoren

Ein ähnlicher Ansatz gilt in der Synthese, wo ein Design einen DAC oder eine einstellbare Gleichspannungsquelle verwendet, um eine Spannung zu erzeugen, die dann durch einen Verstärker/Treiber mit differentiellem Ausgang geleitet wird. In beiden Fällen sind die Faktoren, die das auf dieser Gleichstromverbindung empfangene Rauschen bestimmen, dieselben.

Dies ist wohl der einfachste der drei in diesem Artikel gezeigten Fälle. Der Grund dafür ist ganz einfach: Es liegt daran, dass Sie ein differentielles Paar verlegen, und in diesem Fall sollte das Paar über dem Boden verlegt werden. Bei Gleichstrom schließt dieses differentielle Paar den Rückstrom vollständig auf den negativen Polaritätsteil der Schnittstelle ein. Es gibt kein Schalten, daher gibt es keinen Verschiebungsstrom in einer benachbarten Masseebene, sodass wir uns keine Gedanken über das Verfolgen dieses Teils des Rückstroms machen müssen. Die Standardregeln für die Verlegung von differentiellen Paaren gelten hier mit Ausnahme der Längenabstimmung.

Differenzverstärker und differentielle ADC-Schnittstelle. Mit einem Gleichstromsignal bietet jede Spur einen komplementären Rückweg für die andere Spur. Dieses Bild zeigt den THS770006 von Texas Instruments, aber andere differentielle Komponenten könnten in einer Gleichstromsensorschnittstelle verwendet werden.

Zweidraht-Sensorschnittstelle mit gemeinsamem Masseanschluss

Ein kürzlich von mir bearbeitetes Beispiel in einem Projekt zur präzisen Bewegungssteuerung involvierte ein Paar Drähte, die außerphasige Sinuswellenformen übertrugen. Die analoge Front-End misst den Unterschied zwischen diesen beiden Drähten und ein Referenzoszillatorsignal wird verwendet, um den Phasenunterschied zu extrahieren, um so die Position eines kleinen Motors sehr präzise zu bestimmen.

In diesem Fall haben Sie keine echte differentielle Schnittstelle, da Sie zwei separate Drähte mit einem gemeinsamen Masseanschluss haben. Der gemeinsame Masseanschluss führt den Rückstrom, während jeder der Drähte einen Teil eines Signals trägt. Wenn der SNR-Wert niedrig ist, sollte der Massebereich mit dem Rückstrom von allen anderen Massebereichen isoliert werden. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist, kleine Unterbrechungen der Masse um die Sensorschnittstelle herum zu haben.

Diese 2-Draht-Schnittstelle bietet eine einfache Möglichkeit zur Geräuschsteuerung, ohne dass ein echtes differentielles Paar erforderlich ist.

Die andere Option in einigen Fällen ist, wo Sie Gruppen von differentiellen Gleichstromleitungen haben, die in die analoge Frontend eingehen. Im Bild unten zeige ich Eingänge von einem Motorresolver von einem D-Sub-Stecker. Die linken und rechten differentiellen Paare werden einzeln erkannt, und dann wird der Unterschied zwischen ihnen verwendet, um die Motorposition zu bestimmen. Da der Rückweg in den entsprechenden Drähten existiert, ist das Ausschneiden des Bodens nicht notwendig.

Durch das Ausschneiden eines Teils des Kupferauftrags in Ihrer Masseebene steuern Sie, wo Gleichstrom-Rückströme existieren können. Die Einschränkung hierbei ist, dass Sie in dem geteilten Bereich auf keiner anderen Ebene routen können. Dies würde Probleme mit abgestrahlten Emissionen verursachen, wenn irgendwelche Leiterbahnen, die Signale führen, über den Ausschnittbereich geroutet werden. Eine einfache Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Definition eines Sperrbereichs, der sich auf allen Ebenen überschneidet, sodass kein Kupfer in der Region um Ihre Zwei-Draht-Schnittstelle platziert werden kann.

Schnittstellen mit gemeinsamer Stromversorgung und Masse

Bei dieser Art von Schnittstelle werden Strom und Masse über Ihre Leiterplatte und das externe Gerät geteilt. Hier gibt es zwei Fälle:

• Das externe Gerät liefert Strom und Signal an Ihre Leiterplatte
• Ihre Leiterplatte liefert Strom an Ihr externes Gerät, und das Gerät liefert Signal an Ihre Leiterplatte

Der erste Fall ist viel einfacher zu handhaben, da der Stromrückkehrpunkt direkt zum externen Gerät führt. Die Verwaltung in diesem Fall ist am einfachsten, wenn Signal und Strom auf Ihrem Stecker geteilt werden, da dies den Gleichstrom-Rückweg zusammen mit dem Gleichstrom-/Niederfrequenzsignal lokalisiert. Der Rückstrom für das Niedrigpegelsignal ist auf das Kabel/den Stecker beschränkt, was es von anderen Signalen fernhält, die Nebensprechen induzieren könnten.

Der zweite Fall ist häufiger und komplizierter; der vollständige Schaltkreislauf erstreckt sich bis zum Spannungsregler für Ihre Gleichstromschnittstelle. Daher könnte der Rückweg sehr unvorhersehbar sein, und dies könnte verlangen, dass die Versorgung viel näher an der Sensorschnittstelle platziert wird. Wenn Sie dies tun können, ist es möglich, eine Region im Design zu erstellen, in der nur die gewünschten Gleichstrom-/Niederfrequenzsignale existieren und die Region gegen Störungen widerstandsfähig gehalten werden kann.

Diese kleinen Ultraschallsensorplatinen nehmen Strom von Ihrer Host-Leiterplatte auf und liefern das Signal über dieselbe Schnittstelle. Dies könnte eine Gelegenheit für Ihr Signal schaffen, Rauschen zu empfangen.

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