Corriente de Retorno Consciente de DC en PCBs de Señal Mixta

Una regla común de diseño de PCB de alta velocidad es: mantener un seguimiento de la trayectoria de corriente de retorno para tus señales. Esto es en realidad mucho más fácil de lo que suena, ya que la trayectoria de retorno para una señal digital rápida o incluso una señal analógica de frecuencia moderada está confinada debajo de la traza en gran medida. A frecuencias muy bajas o en DC, la trayectoria de retorno técnicamente podría existir en cualquier lugar, lo que lleva a algunas prácticas de enrutamiento alternativas que podrías ver en diseños de audio, diseños de interfaces de sensores de baja frecuencia y sistemas puramente de DC. El plano de tierra solo proporciona un beneficio en términos de blindaje EMI, pero no confina la trayectoria de retorno directamente debajo de las trazas.

Hay algunos dispositivos que operan a bajas frecuencias o en DC, y esos dispositivos también completan un circuito y por lo tanto tienen una trayectoria de retorno. Entonces, si necesitas usar uno de estos dispositivos, y suponemos que el valor de SNR para el dispositivo es bajo, ¿cómo puedes asegurarte de que el bucle de la trayectoria de retorno no cree susceptibilidad al ruido?

Aquí quiero mostrar algunas formas en las que puedes trabajar con estos tipos de componentes, donde se necesita medir una señal de muy baja frecuencia o una señal de DC, pero se necesita rastrear la trayectoria de retorno para asegurar que el bucle de corriente esté ajustado. Examinaremos algunos casos específicos a continuación.

¿Dónde está la Trayectoria de Retorno de DC?

Yo y muchos otros hemos mostrado dibujos como el que se ilustra a continuación, que pretende mostrar la diferencia entre una trayectoria de retorno de AC a lo largo de una traza y una trayectoria de retorno de DC para la misma traza. Sin entrar más en la física, simplemente diré que es bien sabido que la trayectoria de retorno de AC es la trayectoria de menor impedancia, mientras que la trayectoria de retorno de DC es la trayectoria de menor resistencia.

Creé este dibujo de la trayectoria de retorno en 2019 para ilustrar conceptualmente lo que sucede con las corrientes de DC que fluyen en un plano; aprende más en este artículo.

Con ese pequeño bit de información aclarado, ahora pensemos en cómo mantener las corrientes de retorno de DC donde las queremos en situaciones específicas. Debería estar claro que la trayectoria de retorno de DC podría estar en cualquier lugar, incluido debajo de la traza de entrada (asumiendo una interfaz de extremo único). Este hecho, así como la interfaz del conductor con tus componentes, determina cómo se puede confinar la trayectoria de retorno de DC y puedes lograr un bajo ruido a bajas frecuencias. Para ver cómo funciona esto con varios componentes analógicos o sensores, veamos algunos ejemplos.

Sensor con una Interfaz Diferencial

Las interfaces diferenciales no solo están construidas para pares diferenciales que transportan señales de alta velocidad. Las interfaces de baja frecuencia o analógicas también pueden ser diferenciales. La lectura de la señal de baja frecuencia o DC en este caso funciona de la misma manera: el voltaje de la señal se toma como la diferencia de potencial entre los dos conductores. Ejemplos de estos componentes incluyen:

• Sensor RTD
• Sensores de presión
• Salida de un amplificador diferencial
• Sensores de posición

Una idea similar se aplica en la síntesis, donde un diseño utiliza un DAC o una fuente de CC ajustable para generar un voltaje que luego se pasa a través de un amplificador/conductor con salida diferencial. En ambos casos, los factores que determinan el ruido recibido en esta interconexión de CC son los mismos.

Este es, posiblemente, el caso más fácil de los tres mostrados en este artículo. La razón de esto es bastante simple: es porque estás enrutando un par diferencial, y en este caso el par debe ser enrutado sobre tierra. En CC, este par diferencial confina totalmente la corriente de retorno a la porción de polaridad negativa de la interfaz. No hay conmutación, por lo tanto, no hay corriente de desplazamiento en un plano de tierra cercano, así que no necesitamos preocuparnos por rastrear esa porción de la corriente de retorno. Las reglas estándar de enrutamiento de pares diferenciales se aplican aquí con la excepción de la sintonización de longitud.

Amplificador diferencial e interfaz ADC diferencial. Con una señal de CC, cada traza proporciona una ruta de retorno complementaria para la otra traza. Esta imagen muestra el THS770006 de Texas Instruments, pero otros componentes diferenciales podrían usarse en una interfaz de sensor de CC.

Interfaz de Sensor de Dos Hilos con Tierra Común

Un ejemplo reciente con el que trabajé en un proyecto de control de movimiento de precisión involucraba un par de cables que transportaban formas de onda sinusoidales fuera de fase. El frente analógico mide la diferencia entre estos dos cables y se utiliza una señal de oscilador de referencia para extraer la diferencia de fase con el fin de determinar muy precisamente la posición de un motor pequeño.

En este caso, no tienes una interfaz diferencial verdadera porque tienes dos cables separados con una tierra común. La tierra común lleva la corriente de retorno mientras que cada uno de los cables transporta parte de una señal. Cuando el valor de SNR es bajo, la región de tierra con la corriente de retorno debe estar aislada de todas las otras regiones de tierra. Una forma de hacer esto es tener pequeñas discontinuidades de tierra alrededor de la interfaz del sensor.

Esta interfaz de 2 hilos ofrece una manera simple de proporcionar control de ruido sin requerir un par diferencial verdadero.

La otra opción en algunos casos es cuando tienes grupos de cables CC diferenciales que llegan al frente analógico. En la imagen a continuación, muestro entradas de un resolver de motor de un conector D-sub. Los pares diferenciales izquierdo y derecho se detectan individualmente, y luego la diferencia entre ellos se utiliza para determinar la posición del motor. Debido a que el camino de retorno existe en los cables correspondientes, no es necesario el recorte de tierra.

Al recortar parte del cobre en tu capa de tierra, estás controlando dónde pueden existir las corrientes de retorno de CC. La restricción aquí es que no puedes trazar en el área dividida en ninguna otra capa. Esto crearía problemas con las emisiones radiadas si cualquier traza que lleve señales se traza sobre la región recortada. Una forma simple de lograr esto es definir un área de exclusión que se superponga en todas las capas para que no se pueda colocar cobre en la región alrededor de tu interfaz de dos cables.

Interfaces con alimentación y tierra comunes

En este tipo de interfaz, la alimentación y la tierra se comparten entre tu PCB y el dispositivo externo. Aquí hay dos casos:

• El dispositivo externo suministra energía y señal a tu PCB
• Tu PCB suministra energía al dispositivo externo, y el dispositivo suministra señal a tu PCB

El primer caso es mucho más fácil de manejar ya que el punto de retorno de la energía está directamente en el dispositivo externo. La gestión en este caso es más sencilla cuando la señal y la energía se comparten en tu conector, ya que esto obliga a que el camino de retorno de CC esté ubicado junto con la señal de CC/baja frecuencia. La corriente de retorno para la señal de bajo nivel se confina al cable/conector, lo que la mantiene alejada de cualquier otra señal que pueda inducir diafonía.

El segundo caso es más común y más complicado; el circuito completo abarcará hasta el regulador de energía para tu interfaz de CC. Por lo tanto, el camino de retorno podría ser muy impredecible, y esto podría exigir colocar el suministro mucho más cerca de la interfaz del sensor. Si puedes hacer esto, es posible crear una región en el diseño donde solo existan las señales de CC/baja frecuencia deseadas y la región pueda mantenerse resiliente contra el ruido.

Estas pequeñas placas de sensor ultrasónico toman energía de tu PCB anfitrión y entregan señal a través de la misma interfaz. Esto podría crear una oportunidad para que tu señal reciba ruido.

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