Dual-ADC-Modul PCB-Designprojekt

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Wenn Ihr Board einen ADC enthält, dann qualifiziert sich Ihr Board als ein gemischtes Signal-System und es wird einige besondere Layout-Praktiken benötigen, um überschüssiges Rauschen auf analogen Leitungen zu verhindern. ADCs sind normalerweise nicht isolierte Komponenten, aber es gibt sie auch in einer isolierten Variante, bei der die Komponente eine galvanische Isolation zwischen der analogen und der digitalen Seite bietet.

In diesem Projekt werde ich ein Beispiel-Design vorstellen, das beide Arten von ADCs im gleichen PCB-Layout verwendet. Diese Komponenten erfordern unterschiedliche Layout-Praktiken, aber wir werden sie auf demselben Board implementieren, um einen guten Vergleich zu bieten.

Wie bei all unseren Projekten gibt es am Ende des Artikels einen Link zum Herunterladen der Quelldateien für dieses Projekt. Um mehr über die Verwendung dieser Arten von Komponenten zu erfahren und dem gesamten Layout-Prozess zu folgen, können Sie die untenstehende Playlist anschauen.

Start des ADC-Moduls

Das ADC-Modul, das ich in diesem Projekt vorstellen werde, soll zwei Signale sammeln und die Daten an einen Stiftleistenanschluss weitergeben, der dann mit einem externen Board wie einem Mikrocontroller-Modul verbunden werden könnte. Das Modul wird folgenden Satz von Hauptkomponenten umfassen:

• ISL75051ASEHVFE - Strahlungsfestes 5V zu 3V3 Spannungsreglermodul
• ADC128S102CIMTX - 8-Kanal, 0,5 bis 1 MSps 12-Bit ADC
• AMC1203BPSA - Einkanaliger 40 kSps 8-Bit Sigma-Delta isolierter Stromsensierungs-ADC

Die zu sammelnden Signale sind für niedrige Frequenzen vorgesehen, wie ihre niedrigen Abtastraten zeigen. Beide ADCs gehen von niederohmigen Quellen aus, daher benötigen wir keinen aktiven Filter mit Impedanzpuffer, und wir können bei Bedarf direkt an die ADC-Eingänge anschließen. Schließlich wird jedem, der mit Intersil-Komponenten vertraut ist, auffallen, dass der ISL75051ASEHVFE ein strahlungsfestes Reglermodul ist; dieses Modul könnte in einem Weltraumsystem verwendet werden, solange die anderen beiden Komponenten für die Luft- und Raumfahrt qualifiziert werden können.

Schaltpläne von isolierten und nicht isolierten ADCs

Die Bilder unten zeigen die zwei Hauptteile der Schaltpläne für dieses Modul: die isolierten und nicht isolierten ADCs. Die restlichen Komponenten und Schaltungen können in den Projektdateien eingesehen werden.

Die Schaltpläne sind einfach; wir benötigen nur eine Seite für alle Schaltkreise. Wir haben zwei separate Stromversorgungen, eine für die isolierte Seite, die über ein SMA kommt, und eine andere für die nicht isolierte Seite, die über den Stiftleistenanschluss kommt.

Zuerst werfen Sie einen Blick auf die Schaltpläne für den isolierten ADC (AMC1203BPSA), wie unten gezeigt.

Die analoge Referenz für diese Komponente ist intern festgelegt, daher benötigen wir keinen Präzisionsreferenzchip, um den Messbereich einzustellen. Beachten Sie, dass der isolierte ADC zwei verschiedene Stromnetze benötigt (+5V und +5V_AN), beide basierend auf dem Datenblatt bei +5V; diese müssen aus verschiedenen Quellen stammen, um sicherzustellen, dass die galvanische Isolation über die Isolationslücke in dieser Komponente aufrechterhalten wird. J1 und J3 sind die Anschlüsse für das eingehende Analogsignal und die Stromversorgung für die analoge Seite des ADC.

Um die eingehenden Signale ordnungsgemäß abzuschirmen, werden die Signale, die zu den isolierten und nicht isolierten ADCs kommen, mit Koaxialkabeln und vertikalen SMA-Steckverbindern (73251-1350 von Molex) bereitgestellt. Diese Steckverbinder und die angeschlossenen Koaxialkabel haben eine Impedanz von 50 Ohm, aber die Eingangssignale werden niedrig genug sein, dass die einzige nennenswerte Wechselwirkung zwischen der Quelle und der Last im System besteht.

Als Nächstes werfen Sie einen Blick auf die Schaltung für den Standard-ADC.

In diesem Schaltkreis wird die Leistung durch den Regler (3V3-Netz) bereitgestellt, der wiederum seine Leistung von der +5V-Verbindung vom Stiftleisten erhält. Der SPI-Ausgang verwendet einen Widerstand, um die Flankenrate leicht zu verlangsamen, bevor das Signal nach außen geführt wird. Kondensatoren werden auch speziell für das Entkoppeln/Bypassen der VA- und VD-Pins platziert.

Es gibt einige Annahmen in den obigen Schaltplänen:

• Das +5V_AN-Netz wird auf diesem Board nie einen hohen Strom benötigen, daher ist die Verwendung eines SMA + Koaxialkabels für die Stromversorgung angemessen. Höhere Spannungen/Ströme darüber hinaus erfordern unterschiedliche Komponenten.
• Die Bandbreite des Eingangssignals wird nur durch die Abtastrate jedes ADC begrenzt. Wenn eine niedrigere Bandbreite benötigt wird, fügen Sie einen Tiefpass-RC-Filter hinzu und betreiben Sie ihn mit maximaler Abtastrate zur Anti-Aliasing.
• Die +5V-Verbindung auf der Stiftleiste wird als geregelt und relativ rauschfrei angenommen. Wenn unreguliert, wird ein +5V-Regler am Eingang benötigt.
• Die VA- und VD-Pins an U2 sind nicht isoliert, weil U2 die einzige Komponente ist, die schnelle digitale Flanken für seine SPI-Schnittstelle zieht. Wenn es mehr Komponenten am 3V3-Bus gäbe, dann würden wir definitiv in Betracht ziehen, die Leistung zum VA-Pin nahe 1 MHz bandzubegrenzen.

Mit diesen Punkten aus dem Weg geräumt, können wir zum Stackup übergehen. Unser Stackup muss 2 einigermaßen schnelle digitale Schnittstellen unterstützen (eine für jeden ADC) und zwei separate Speiseleitungen in die ADCs.

Flächenplanung und PCB-Stackup

Da diese Platine eine isolierte Komponente enthält, muss die Platine einen speziellen Grundriss haben, der eine isolierte Region ermöglicht. Wir können alles auf dieser Platine auf einer einzigen Schicht machen, aber wir benötigen Masse, um induktive Kopplungen zwischen analogen und digitalen Abschnitten zu verhindern, was eine interne Masseebene erfordert. Daher können wir einen einfachen 4-Lagen-PCB-Stackup mit interner GND verwenden.

Der fertige Stackup wird unten gezeigt. In diesem Stackup haben wir einen SIG+PWR/GND/GND/SIG-Stackup verwendet; Komponenten werden auf der Oberseite platziert und die Unterseite kann bei Bedarf für zusätzliches Routing verwendet werden.

In diesem Stackup ist der Dk-Wert nicht so wichtig, da wir keine Anforderungen an kontrollierte Impedanz haben. Der wichtige Punkt hier ist die dünne äußere Schicht, sowie GND auf L2 und L3. Die dünne äußere Schicht mit angrenzendem Masse ist der Schlüssel zur Unterdrückung von Störungen, wie ich in einem anderen Artikel über parasitäre Extraktion hervorgehoben habe.

Als nächstes muss der isolierte Bereich in seinem eigenen Bereich platziert werden, wobei seine SMA-Anschlüsse Strom und Signal liefern. Ich habe diesen auf der linken Seite der Platine isoliert, während die restlichen Komponenten auf der rechten Seite sitzen werden. Die anfängliche Platzierung wird unten gezeigt.

Die anfängliche Platzierung ordnet alle analogen Abschnitte auf der linken Seite der Platine an, während der Regler und die I/O-Leitungen direkt nach rechts geführt werden (hauptsächlich auf der Rückseite). Dies ist eine typische Strategie, um die Kopplung von Störungen zwischen den digitalen Leitungen und den analogen Zuleitungen zu minimieren. Die Isolationsbarriere verläuft vertikal unter U3, daher werden wir dort die Erdungsnetze in GND und AGND aufteilen, um die erforderliche Isolation zu gewährleisten.

Um diese Aufteilung durchzuführen, habe ich eine kleine Kupferfläche implementiert, die sich durch alle 4 Schichten in der PCB erstreckt. Die Region bietet AGND-Verbindungen an J1 und J3, und die Schichten werden mit Stitching-Vias verbunden.

Die thermischen Verbindungen auf den SMA-Pads werden durch Ändern der Designregeln entfernt. Ich verwende eine ähnliche Strategie im nicht-isolierten Bereich, allerdings mit dem Unterschied, dass das Pour auf L2 unter der gesamten ADC-Verbindung verläuft. Ich werde auch Stitching-Vias in diesem Abschnitt hinzufügen, um das Rauschen zu unterdrücken. Mit diesem Punkt abgeschlossen, können wir nun den Rest der Verbindungen verlegen.

Ein Punkt, den ich hier erwähnen möchte, ist die Platzierung der Kondensatoren. Wie auch bei einer digitalen Komponente ist es wichtig, alle Kondensatoren, die Strom an den analogen Strompin liefern, nahe an diesen Pins zu platzieren. Auf diese Weise kann das analoge Subsystem innerhalb seines Abtastintervalls ausreichend Strom ziehen, und es gibt einen minimalen Dropout für jegliche interne Referenz. Ein Beispiel wird unten gezeigt. Speziell haben wir C18 und C19 für die digitale Versorgung und C16 und C17 für die analoge Seite platziert.

Abgeschlossenes Routing und Layout

Nach einigen Komponentenverschiebungen konnte ich die großen Kondensatoren (C9 und C13) so versetzen, dass sie mehr in der Mitte der Platine sitzen. Dies ermöglicht es mir, die Größe der Platine etwas zu reduzieren, sodass wir keine große offene Fläche ohne Komponenten oder Verdrahtung haben. Dann habe ich auf L2 und L3 überall Masse geführt, um die Kupferverteilung im Stackup größtenteils symmetrisch zu halten. Die abgeschlossene Verdrahtung, einschließlich der Stitching-Vias, wird unten gezeigt.

In dieser Ansicht können Sie den +5V Eingang und den +3V3 Ausgang sehen, die als große Polygone verlegt sind, während die anderen Polygone auf der oberen Schicht GND oder AGND sind. Alle digitalen Signale werden auf der unteren Schicht verlegt, außer an Punkten, an denen sie mit den ADCs auf L1 verbunden werden müssen.

Ein 3D-Bild des fertigen PCB-Layouts wird im Bild unten gezeigt. Wie üblich haben wir einige Logos sowie eine Siebdrucklegende für die Pinbelegung auf dem Stiftleisten. Die SMAs, die auf der linken Seite platziert sind, haben Stitching-Vias, um diese Massezone auf allen Schichten zusammenzubinden und um zu verhindern, dass streuende HF-Interferenzen in diesen Teil des Substrats eindringen. Diese Leitungen sind auch nicht für eine spezifische Impedanz ausgelegt, und die Annahme hier ist, dass die Eingangssignale so niedriger Frequenzen sind, dass die Speiseleitungen elektrisch kurz sind.

Was können wir diesem Modul noch hinzufügen?

Das oben gezeigte Design ist dafür vorgesehen, mit einem externen Mikrocontrollermodul zu interagieren, um die Daten über den Stiftleistenanschluss zu sammeln und zu verarbeiten. Um diese Platine weiterzuentwickeln, könnte man einen digitalen Abschnitt mit einem Mikrocontroller auf der Rückseite platzieren, wobei der Mikrocontroller die von den ADCs gelieferten Daten annimmt. Ein kleiner Mikrocontroller wie PIC (von Microchip) oder ein kleinerer STM32 (ST Microelectronics) wäre für dieses Modul geeignet.

Das Design, wie es derzeit vorliegt, geht von einer niedrigen Quellimpedanz und keiner Filterung aus, um die Bandbreite des vom Gerät gesammelten Signals zu begrenzen. Dies wird bereits durch die Abtastrate basierend auf der Nyquist-Abtastrate begrenzt, aber Signale niedriger Frequenz könnten überabgetastet und durch einen RC-Anti-Aliasing-Filter geleitet werden, um das Rauschen weiter zu reduzieren.

Wenn Sie einen Mikrocontroller auf der Rückseite verwenden, wird dieser wahrscheinlich eine Ausgangsschnittstelle haben, um Daten an ein anderes Gerät, wie einen Computer, zu senden. Dies könnte über eine UART-Schnittstelle oder direkt über USB erfolgen. Die UART-Option ist nützlich, da sie dann zu einem 2-Pin-Header geführt werden könnte, der dann mit dem Zielgerät verbunden wird. Da so viele Mikrocontroller eine UART-Option haben, wird das nächste Projekt, das ich vorstellen werde, ein UART-zu-USB-Konvertermodul sein, das Daten von einem Mikrocontroller akzeptieren könnte, wie ich es hier beschrieben habe.

Folgen Sie diesem Link, um ein ZIP-Archiv mit den Projektquellendateien herunterzuladen. Sie können auch den Download-Link im obigen Einbettungsbereich nutzen, um auf die Quellendateien zuzugreifen.

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