Cómo conectar los ADC a tierra de forma correcta

Los ADC son componentes complejos con los que resulta más difícil trabajar a medida que aumentan las velocidades de muestreo y los valores de resolución. La resolución de un ADC y su velocidad de muestreo presentan desafíos para la reconstrucción precisa de la señal, pero hay un área donde el rendimiento del ADC se ve muy afectado: la definición de la conexión a tierra en la disposición de una PCB.

La forma en que se escriben los pinouts de los ADC y la forma en que algunas notas de aplicación antiguas describen el uso de los ADC abre la posibilidad de una disposición y enrutamiento incorrectos, que luego acoplan ruido a la entrada del ADC. Esto resulta en una reconstrucción incorrecta de la señal causada por las fluctuaciones pseudoaleatorias en la señal de entrada. También puede producirse una fuerte EMI cuando el diseño de la PCB no permite una correcta conexión a tierra de los ADC debido al apilado (stackup en inglés), a la separación física de las capas de tierra o a ambas cosas.

En este artículo, daré un poco de contexto sobre los pines de los ADC y lo que significan en términos de conexión a tierra. Los expertos en EMC en esta área estarán de acuerdo en que el mejor enfoque para la mayoría de los sistemas de señal mixta y en la mayoría de los ADC es utilizar un plano de tierra uniforme, y no tierras separadas físicamente.

Los nombres inadecuados en los pines provocan una mala conexión a tierra del ADC

Para ver cómo llegamos a un estado en el que se implementan tantas directrices de conexión a tierra incorrectas para los ADC, es útil observar un pinout típico para un ADC. Si eres nuevo en el diseño y nunca has leído una hoja de datos para un ADC, puede que te sorprenda encontrar directrices contradictorias entre diferentes proveedores de semiconductores.

Para ver un ejemplo, echa un vistazo al ADS1274/1278 de Texas Instruments. En el pinout de esta pieza, tenemos dos pines separados en los lados opuestos del componente, etiquetados como AGND y DGND:

La presencia de varios pines GND, con dos nombres diferentes que hacen referencia a dos tipos diferentes de señal (analógica y digital), genera confusión sobre si el ADC debe conectarse con diferentes potenciales de tierra que deben estar desconectados. La otra directriz que verás a veces es la de conectarlos solo en un único punto.

Si miras a continuación esta figura en la página 6 de la hoja de datos, verás la siguiente descripción del pin para el AGND:

AGND: conectar al DGND usando un solo plano

Más adelante en la hoja de datos, TI proporciona un ejemplo de aplicación con las dos tierras conectadas directamente. Sin Net Tie, sin conexión a tierra de un solo punto, solo un único plano uniforme para conectar el ADC a tierra.

Lo que puede causarle más confusión a un diseñador novato es el hecho de que otros ADC solo utilizan un único pin de tierra. Otro ejemplo de Texas Instruments es el ADS7138. Este es un ADC más pequeño y solo tiene un pin para GND. El pinout se muestra a continuación:

Si te topas con este componente y tienes la idea de que las conexiones a tierra analógicas y digitales deben estar totalmente separadas, te sorprenderá encontrar esta directriz en la página 4 de la hoja de datos:

GND: Conexión a tierra de la fuente de alimentación. Todas las señales analógicas y digitales se refieren al voltaje de este pin

Con la afirmación "se refieren al voltaje de este pin", te están diciendo que la toma analógica y la digital utilizan este mismo punto como referencia de medición.

Otros proveedores de semiconductores no siempre ofrecen este mismo asesoramiento correcto. En cambio, pueden recomendar una de las dos direcciones posibles para un diseño:

1. Que vincules el pin AGND y el pin DGND en un solo punto.
2. Que utilices diferentes redes AGND y DGND que no estén conectadas en ningún lado.

La segunda es, básicamente, una cuestión discutible: a menos que estés usando un ADC aislado (ver abajo), seguirá habiendo en cualquier caso una conexión interna entre estos pines, ya que, debido a esta conexión en el interior del ADC, nunca separarás realmente las regiones de tierra.

La primera podría funcionar, ya que al menos establece un potencial de tierra uniforme, pero se implementa de forma incorrecta. En este caso, nunca podrías enrutar sobre el espacio que hay entre las dos regiones de plano, lo que limita tu diseño y tu libertad de enrutamiento. La segunda opción es básicamente la misma que la primera y resulta ser un mal camino a seguir por la misma razón, excepto en casos muy concretos en los que se requiera el aislamiento entre las secciones analógicas y digitales (ver a continuación).

La planificación en un dieléctrico fino evita el acoplamiento de ruido

Para las placas de interfaz que funcionan con una sección digital y que necesitan una tierra uniforme, recomiendo empezar con un apilamiento de cuatro capas con dieléctricos exteriores finos y planos de tierra en L2/L3. Esto te da un buen acoplamiento para las rutas de retorno de las señales digitales en el plano de tierra adyacente, lo que te ayudará a evitar que el ruido de conmutación se acople de nuevo en el lado analógico del diseño.

De ese modo, evitas el problema de tener que usar planos de tierra separados físicamente para intentar evitar que el ruido se acople a la línea de alimentación analógica del ADC. En lugar de eso, céntrate en la colocación de los componentes, ya que esto ayudará a evitar el acoplamiento de ruido entre diferentes circuitos. Aquí es donde se convierte el pinout de ejemplo en el ADS1274/1278 que se muestra arriba; básicamente, los pines se han colocado en diferentes áreas del componente, por lo que es fácil implementar algunas de las buenas prácticas de enrutamiento en interfaces analógicas y digitales.

Al enrutar lejos del componente en direcciones opuestas, estás dejando mucho espacio entre las secciones digital y la analógica de la placa. Esta es la mejor forma de evitar la diafonía de señales mixtas.

Ahora veamos el ADS7138 (ver a continuación). Este componente tiene una interfaz I2C, y fíjate que el pin de datos (SDA) va justo al lado de una de las entradas analógicas. Para garantizar el mínimo acoplamiento posible con este componente, personalmente enrutaría las dos señales a la placa en direcciones diagonales opuestas. También utilizaría todas las demás entradas analógicas antes de usar la entrada que está junto al pin de datos (SDA).

No conectes los rieles de alimentación con ferrita y desconectes las conexiones a tierra

A veces, se da otra mala recomendación de conexión a tierra junto con las conexiones de fuente de alimentación entre los pines de entrada de alimentación analógica y digital. A continuación, se muestra un ejemplo con el MAX11900 de Maxim Integrated.

Esta es probablemente la peor recomendación de alimentación y conexión a tierra relacionada con ADC que he visto, y sin embargo, hay algunos proveedores de semiconductores que presentan notas de aplicación de 15 años con este consejo en sus sitios web. De hecho, incluso he visto a una empresa dar la recomendación incorrecta que se describe arriba y después recomendar las conexiones correctas sin ferrita y con un único plano de tierra en la hoja de datos para el mismo componente.

Este tipo de recomendación tiene como objetivo aislar el riel analógico (que supone un pin separado para la referencia) del riel digital. La idea es aislar cualquier ruido en el riel digital (que podría incluir muchos componentes diferentes) del riel analógico, por si se creara una fluctuación en el riel digital a partir de una interfaz de conmutación rápida (como SPI).

Verás el mismo tipo de recomendación para aislar un riel analógico en un CI grande (como un pin de referencia PLL en un FPGA o procesador) de un riel digital con el mismo voltaje. Recomendaría simular esta solución para aplicaciones como un PLL, que necesita conmutar a altas velocidades, para que puedas hacerte una idea clara del ruido acoplado al pin analógico dentro del ancho de banda del ruido esperado.

1. Si quieres tener un lado analógico aislado con un ADC aislado (ver más abajo), simplemente debes hacer que el riel analógico esté físicamente separado. ¡No conseguirás una impedancia mucho mayor (de hasta muchos GHz de frecuencia) excepto separando físicamente los dos circuitos!
2. Si necesitas el nivel de precisión que implica esta recomendación, debes utilizar un circuito de compensación de carga en las entradas de señal ADC y una referencia o suministro de precisión dedicados con su propio filtro de paso bajo.

Las opciones "menos mala" y "buena" son las mismas estrategias que usarías en un procesador grande con una entrada de alimentación analógica para los rieles PLL. He visto una presentación más antigua que sugiere que mantengas la ferrita y, aun así, tenemos otro artículo en este blog que muestra pruebas contradictorias. La "mejor opción" podría usarse con referencias ratiométricas, en las que la sección digital se reduce para definir el valor de referencia analógico.

¿ADC en sistemas aislados?

En este tipo de sistema, la clave es aislar completamente la mayor parte de la ruta de señal analógica del resto del sistema, utilizando planos separados físicamente y fuentes de alimentación separadas con referencia de precisión. Sin embargo, esto resulta complicado, porque básicamente estás tratando de acoplar tu entrada analógica a través del espacio de aislamiento y en la interfaz analógica, y esta solo opera a niveles bajos que hacen difícil el acoplamiento.

Así pues, tienes dos opciones:

• Usar un ADC aislado que desacople totalmente el lado analógico del lado digital y no conectar ninguno de los pines de tierra.
• Usar un optoacoplador o un transformador para llevar la señal muestreada a través del espacio de aislamiento.

Una versión de esta solución se ejecuta en el bloque del transformador y el circuito de terminación en Ethernet. Echa un vistazo al diagrama de circuito en este artículo y comprueba si puedes ubicar la región aislada a la que me refiero.

En una ocasión, diseñé una pequeña placa de señal mixta con un ADC: mediciones de voltaje de muy baja SNR a corrientes en el orden de los nanoamperios operando a bajas frecuencias. En este sistema, el ruido de bajo nivel presentó muchas dificultades y el hecho de que tuviéramos equipos separados para la alimentación, la medida y la adquisición generaba problemas con los bucles de tierra. Amplificamos la señal antes del muestreo para que ocupara la mayor parte del rango dinámico del dispositivo y los datos en serie de salida se transmitieron a una tarjeta DAQ para su recopilación en un ordenador.

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