Wie ADCs richtig geerdet werden

ADCs sind unbeständige Bauteile, die mit steigenden Abtastraten und Auflösungswerten immer schwieriger zu handhaben sind. Die Auflösung eines ADC und seine Abtastrate sind eine Herausforderung für die genaue Signalrekonstruktion, aber es gibt einen Bereich, in dem die ADC-Leistung stark beeinflusst wird: die Definition von Masse in einem PCB-Layout.

Die Art und Weise, wie die Pinbelegungen von ADCs geschrieben sind und wie einige ältere Anwendungshinweise die Verwendung von ADCs beschreiben, birgt die Gefahr eines falschen Layouts und Routings, das dann Rauschen an den ADC-Eingang koppelt. Das Ergebnis ist eine fehlerhafte Signalrekonstruktion aufgrund von pseudozufälligen Schwankungen im Eingangssignal. Eine starke elektromagnetische Störung (EMI) kann auch auftreten, wenn das PCB-Layout aufgrund des Lagenaufbaus, der physischen Trennung von Massen oder beidem, keine korrekte Erdung von ADCs zulässt.

In diesem Artikel werde ich etwas Kontext zu ADC-Pins geben und erklären, was sie in Bezug auf Erdung bedeuten. Die EMV-Experten auf diesem Gebiet sind sich einig: Bei den meisten Mixed-Signal-Systemen und bei den meisten ADCs ist es am besten, eine einheitliche Massefläche zu verwenden und keine räumlich getrennten Massen.

Schlechte Pin-Namen führen zu schlechter ADC-Erdung

Um zu sehen, wie es dazu kommt, dass so viele schlechte Erdungsrichtlinien für ADCs implementiert sind, ist es hilfreich, sich eine typische Pinbelegung für einen ADC anzusehen. Wenn Sie ein neuer Designer sind und noch nie ein Datenblatt für einen ADC gelesen haben, werden Sie vielleicht überrascht sein, widersprüchliche Richtlinien von verschiedenen Halbleiteranbietern zu finden.

Werfen Sie beispielsweise einen Blick auf den ADS1274/1278 von Texas Instruments. In der Pinbelegung für dieses Bauteil haben wir zwei separate Pins auf gegenüberliegenden Seiten der Komponente, die mit AGND und DGND gekennzeichnet sind:

Das Vorhandensein mehrerer GND-Pins mit zwei verschiedenen Namen, die sich auf zwei verschiedene Arten von Signalen (analog und digital) beziehen, führt zu der Verwirrung, dass der ADC mit unterschiedlichen Massepotentialen verdrahtet werden sollte, die getrennt sein müssen. Laut einer anderen Richtlinie, die Ihnen auch manchmal begegnen wird, werden sie nur an einem einzigen Punkt verbunden.

Wenn Sie unter dieser Abbildung auf Seite 6 im Datenblatt nachsehen, finden Sie die folgende Pin-Beschreibung für AGND:

AGND: Verbindung zu DGND über eine einzige Ebene

Weiter unten im Datenblatt liefert TI ein Anwendungsbeispiel, bei dem die beiden Massen direkt verbunden sind. Keine Netzbindung, keine Einzelpunkterdung, nur eine einzige einheitliche Ebene zur Erdung des ADC.

Was für den unerfahrenen Designer mehr Verwirrung schaffen kann, ist die Tatsache, dass andere ADCs nur einen einzigen Masse-Pin verwenden. Ein weiteres Beispiel von Texas Instruments ist der ADS7138. Es handelt sich dabei um einen kleinen ADC mit nur einem einzigen Pin für GND. Die Pinbelegung ist unten dargestellt:

Wenn Sie in dieses Bauteil mit der Idee hineingehen, dass analoge und digitale Massen vollständig getrennt sein sollten, werden Sie möglicherweise überrascht sein, diese Richtlinie auf Seite 4 des Datenblatts zu finden:

GND: Masse für die Stromversorgung; alle analogen und digitalen Signale beziehen sich auf diese Pin-Spannung

Wenn Sie die Aussage „bezieht sich auf diese Pin-Spannung” sehen, so ist damit gemeint, dass die analoge Versorgung und die digitale Versorgung denselben Punkt wie deren Messreferenz verwenden.

Andere Halbleiteranbieter geben nicht immer die gleichen korrekten Ratschläge. Stattdessen empfehlen sie eine von zwei möglichen Richtungen für ein Design:

1. Den AGND-Pin und den DGND-Pin nur an einer Stelle zusammenzubinden
2. Verwenden Sie unterschiedliche AGND- und DGND-Netze, die nirgendwo verbunden sind

Nr. 2 ist im Grunde hinfällig; es sei denn, Sie verwenden einen isolierten ADC (siehe unten), dann gibt es ohnehin eine interne Verbindung zwischen diesen Pins; Sie werden die Massebereiche aufgrund dieser Verbindung im Inneren des ADC niemals wirklich trennen.

Nr. 1 kann in Ordnung sein, weil es zumindest ein einheitliches Massepotential setzt, aber es wird häufig falsch implementiert. In diesem Fall könnten Sie niemals über die Lücke zwischen den beiden Lagenbereichen routen, was Ihre Freiheit hinsichtlich Layout und Routing einschränkt. Nr. 2 ist im Grunde dasselbe wie Nr. 1 und ist aus dem gleichen Grund ungeeignet, außer in einem bestimmten Fall, und zwar wenn eine Isolierung zwischen den analogen oder/und digitalen Teilbereichen erforderlich ist (siehe unten).

Grundrissplanung auf einem dünnen Dielektrikum verhindert Geräuschkopplung

Für Schnittstellen-PCBs, die zufällig mit einem digitalen Bereich arbeiten und eine gleichmäßige Masse benötigen, empfehle ich, mit einem 4-lagigen Lagenaufbau mit dünnen äußeren Dielektrika und Masse-Ebenen auf L2/L3 zu beginnen. Dadurch erhalten Sie eine starke Kopplung für Rückleitungen für digitale Signale in der angrenzenden Massefläche, was dazu beiträgt, dass Schaltgeräusche nicht in die analoge Seite des Designs zurückgekoppelt werden.

Sie haben dann nicht das Problem, physisch getrennte Masse-Ebenen verwenden zu müssen, um zu verhindern, dass Rauschen in die analoge Zuleitung Ihres ADCs einkoppelt. Konzentrieren Sie sich stattdessen auf die Platzierung der Komponenten, da dies dazu beiträgt, eine Rauschkopplung zwischen verschiedenen Schaltkreisen zu verhindern. An dieser Stelle kommt das oben gezeigte Beispiel für die Pinbelegung des ADS1274/1278 ins Spiel. Die Pins wurden in verschiedenen Bereichen des Bauteils untergebracht, sodass es einfach ist, einige bewährte Verfahren für das Routing der analogen und digitalen Schnittstellen zu implementieren.

Indem Sie in entgegengesetzte Richtungen von der Komponente wegleiten, schaffen Sie viel Platz zwischen den digitalen und analogen Leiterplattenbereichen. Dies ist der beste Weg, ein Mixed-Signal-Übersprechen zu verhindern.

Schauen wir uns nun den ADS7138 an (siehe unten). Diese Komponente hat eine I2C-Schnittstelle und beachten Sie, dass der Daten-Pin (SDA) direkt neben einem der analogen Eingänge verläuft. Um eine möglichst geringe Kopplung mit dieser Komponente zu gewährleisten, würde ich die beiden Signale in entgegengesetzten diagonalen Richtungen in die Leiterplatte/PCB leiten. Ich würde auch erstmal alle anderen analogen Eingänge ausschöpfen, bevor ich den Eingang verwende, der sich neben dem SDA-Pin befindet.

Verbinden Sie Stromschienen nicht mit einem Ferrit und trennen Sie die Erdung

Eine weitere schlechte Erdungsempfehlung wird manchmal für Stromversorgungsanschlüsse zwischen den analogen und digitalen Stromeingangspins präsentiert. Ein Beispiel mit dem MAX11900 von Maxim Integrated ist unten abgebildet.

Dies ist wahrscheinlich die schlechteste ADC-bezogene Strom- und Erdungsempfehlung, die ich je gesehen habe, und dennoch gibt es bestimmte Halbleiteranbieter, die 15 Jahre alte Anwendungshinweise mit diesen Ratschlägen auf ihren Websites haben. Ich habe sogar gesehen, dass ein Unternehmen die oben gezeigte falsche Empfehlung ausspricht und dann im Datenblatt desselben Bauteils die richtigen Verbindungen ohne Ferrit und mit einer einzigen Massefläche empfiehlt.

Die Idee hinter dieser Art von Empfehlung ist, die analoge Schiene (setzt einen separaten Pin für die Referenz voraus) von der digitalen Schiene zu isolieren. Damit soll jegliches Rauschen auf der digitalen Schiene (die viele verschiedene Komponenten enthalten kann) von der analogen Schiene begrenzt werden, falls auf der digitalen Schiene durch eine schnell schaltende Schnittstelle (wie SPI) eine Welligkeit entsteht.

Ihnen wird dieselbe Art von Empfehlung begegnen, nach der eine analoge Schiene auf einem großen IC (wie ein PLL-Referenzpin auf einem FPGA oder Prozessor) von einer digitalen Schiene mit der gleichen Spannung zu isolieren. Für so etwas wie eine PLL, die bei hohen Geschwindigkeiten schalten muss, würde ich empfehlen, dies zu simulieren, um wirklich ein Gefühl für das Rauschen zu bekommen, das innerhalb der erwarteten Rauschbandbreite an den analogen Pin gekoppelt ist.

1. Wenn Sie eine isolierte analoge Seite mit einem isolierten ADC haben möchten (siehe unten), dann trennen Sie die analoge Schiene einfach physisch. Sie können bis zu vielen GHz-Frequenzen keine wesentlich höhere Impedanz erreichen, als wenn Sie die beiden Schaltkreise physisch trennen!
2. Wenn Sie die in dieser Empfehlung implizierte Genauigkeit benötigen, sollten Sie eine Ladekompensationsschaltung an den ADC-Signaleingängen und eine dedizierte Präzisionsreferenz/-versorgung mit eigenem Tiefpassfilter verwenden.

Die Empfehlungen „weniger schlecht” und „besser” sind die gleichen Strategien, die Sie bei einem großen Prozessor mit einem analogen Versorgungseingang für seine PLL-Schienen anwenden würden. Ich habe eine ältere Präsentation gesehen, in der empfohlen wird, den Ferrit beizubehalten, und dennoch gibt es einen weiteren Artikel in diesem Blog, der widersprüchliche Beweise zeigt. Die Empfehlung „besser” könnte mit der ratiometrischen Referenzierung verwendet werden, wobei der digitale Bereich heruntertransformiert wird, um den analogen Referenzwert festzulegen.

ADCs in abgeschlossenen Systemen?

In einem solchen System geht es darum, einen Großteil der analogen Signalpfade von allem anderen im System vollständig zu isolieren, indem physikalisch getrennte Ebenen und separate Netzteile mit Präzisionsreferenz verwendet werden. Dies ist jedoch eine Herausforderung, da Sie im Wesentlichen versuchen, Ihren analogen Eingang über die Isolationslücke und in die analoge Schnittstelle zu koppeln, und das funktioniert nur auf niedriger Stufe, was die Kopplung erschwert.

Hier haben Sie zwei Möglichkeiten:

• Verwenden Sie einen isolierten ADC, der die analoge Seite vollständig von der digitalen Seite entkoppelt, und überbrücken Sie keinen der Masse-Pins
• Verwenden Sie einen Optokoppler oder Transformator, um das Abtastsignal über die Isolationslücke zu bringen

Eine Version davon wird im Transformatorblock und in der Abschlussschaltung im Ethernet ausgeführt. Werfen Sie einen Blick auf den Schaltplan in diesem Artikel und sehen Sie nach, ob Sie die isolierte Region erkennen können, auf die ich mich beziehe.

Es gibt einen Fall, in dem ich eine kleine Mixed-Signal-Leiterplatte mit einem ADC entwickelt habe: Spannungsmessungen mit sehr geringem SNR bei Stromstärken im Nanoampere-Bereich und niedrigen Frequenzen. Niederfrequentes Rauschen war in diesem System sehr problematisch, und die Tatsache, dass wir getrennte Geräte für Quelle, Messung und Erfassung hatten, bedeutete, dass es Probleme mit Erdschleifen gab. Wir haben das Signal vor dem Abtasten verstärkt, sodass das Signal den größten Teil des Dynamikbereichs im Gerät einnahm und die seriellen Ausgabedaten an eine DAQ-Karte zur Erfassung auf einem Computer übergeben wurden.

Wenn Sie einen ADC platzieren und eine Erdungsstrategie für Ihre Mixed-Signal-Leiterplatte erstellen müssen, verwenden Sie die komplette Palette an PCB-Design-Tools in Altium Designer®. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien für Ihren Hersteller freigeben möchten, können Sie auf der Altium-365™-Plattform ganz einfach zusammenarbeiten und Ihre Projekte teilen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer und Altium 365.