Courant de retour conscient du DC dans les PCBs à signaux mixtes

Une règle courante de conception de PCB à haute vitesse est : suivez le chemin du courant de retour pour vos signaux. Cela est en fait beaucoup plus simple qu'il n'y paraît, car le chemin de retour pour un signal numérique rapide ou même un signal analogique de fréquence modérée est confiné sous la trace dans une large mesure. À des fréquences très basses ou en courant continu (DC), le chemin de retour pourrait techniquement exister n'importe où, ce qui conduit à certaines pratiques de routage alternatives que vous pouvez voir dans les conceptions audio, les conceptions d'interfaces de capteurs à basse fréquence, et les systèmes purement en courant continu. Le plan de masse offre uniquement un avantage en termes de blindage EMI, mais il ne confine pas directement le chemin de retour sous les traces.

Il existe certains dispositifs qui fonctionnent à basses fréquences ou en courant continu, et ces dispositifs complètent également un circuit et ont donc un chemin de retour. Alors, si vous devez utiliser l'un de ces dispositifs, et nous supposons que la valeur SNR pour le dispositif est faible, comment pouvez-vous vous assurer que la boucle du chemin de retour ne crée pas de susceptibilité au bruit ?

Ici, je veux montrer certaines manières de travailler avec ces types de composants, où un signal de très basse fréquence ou un signal en courant continu doit être mesuré, mais le chemin de retour doit être suivi pour s'assurer que la boucle de courant est serrée. Nous examinerons quelques cas spécifiques ci-dessous.

Où est le chemin de retour DC ?

Moi-même et beaucoup d'autres avons montré des dessins comme celui illustré ci-dessous, qui vise à montrer la différence entre un chemin de retour en courant alternatif (AC) le long d'une trace et un chemin de retour en courant continu (DC) pour la même trace. Sans entrer plus profondément dans la physique, je vais juste dire qu'il est bien connu que le chemin de retour AC est le chemin de moindre impédance, tandis que le chemin de retour DC est le chemin de moindre résistance.

J'ai créé ce dessin du chemin de retour en 2019 pour illustrer conceptuellement ce qui arrive aux courants DC circulant dans un plan ; en savoir plus dans cet article.

Avec ce petit morceau d'information mis de côté, réfléchissons maintenant à comment maintenir les courants de retour DC là où vous le souhaitez dans des situations spécifiques. Il devrait être clair que le chemin de retour DC pourrait être n'importe où, y compris sous la trace d'entrée (en supposant une interface à terminaison unique). Ce fait, ainsi que l'interface conductrice avec vos composants, détermine comment le chemin de retour DC peut être confiné et vous pouvez atteindre un faible bruit à basses fréquences. Pour voir comment cela fonctionne avec divers composants analogiques ou capteurs, regardons quelques exemples.

Capteur avec une interface différentielle

Les interfaces différentielles ne sont pas seulement conçues pour les paires différentielles transportant des signaux à haute vitesse. Les interfaces à basse fréquence ou analogiques peuvent également être différentielles. La lecture du signal à basse fréquence ou DC fonctionne de la même manière : la tension du signal est prise comme la différence de potentiel entre les deux conducteurs. Des exemples de ces composants incluent :

• Capteur RTD
• Capteurs de pression
• Sortie d'un amplificateur différentiel
• Capteurs de position

Une idée similaire s'applique en synthèse, où un design utilise un DAC ou une source DC réglable pour générer une tension qui est ensuite passée à travers un amplificateur/conducteur avec sortie différentielle. Dans les deux cas, les facteurs déterminant le bruit reçu sur cette interconnexion DC sont les mêmes.

C'est sans doute le cas le plus simple des trois présentés dans cet article. La raison en est assez simple : c'est parce que vous routez une paire différentielle, et dans ce cas, la paire doit être routée au-dessus d'une masse. En DC, cette paire différentielle confine totalement le courant de retour à la partie de polarité négative de l'interface. Il n'y a pas de commutation, donc il n'y a pas de courant de déplacement dans un plan de masse proche, donc nous n'avons pas à nous soucier de suivre cette partie du courant de retour. Les règles standard de routage de paires différentielles s'appliquent ici à l'exception du réglage de la longueur.

Amplificateur différentiel et interface ADC différentielle. Avec un signal DC, chaque trace fournit un chemin de retour complémentaire pour l'autre trace. Cette image montre le THS770006 de Texas Instruments, mais d'autres composants différentiels pourraient être utilisés dans une interface de capteur DC.

Interface de capteur à deux fils avec masse commune

Un exemple récent sur lequel j'ai travaillé dans un projet de contrôle de mouvement de précision impliquait une paire de fils transportant des ondes sinusoïdales en opposition de phase. L'avant du circuit analogique mesure la différence entre ces deux fils et un signal d'oscillateur de référence est utilisé pour extraire la différence de phase afin de déterminer très précisément la position d'un petit moteur.

Dans ce cas, vous n'avez pas une véritable interface différentielle car vous avez deux fils séparés avec une masse commune. La masse commune transporte le courant de retour tandis que chacun des fils transporte une partie d'un signal. Lorsque la valeur SNR est faible, la région de masse avec le courant de retour doit être isolée de toutes les autres régions de masse. Une façon de faire cela est d'avoir de petites discontinuités de masse autour de l'interface du capteur.

Cette interface à 2 fils offre un moyen simple de contrôler le bruit sans nécessiter une véritable paire différentielle.

L'autre option dans certains cas est lorsque vous avez des groupes de fils CC différentiels arrivant à l'interface analogique frontale. Dans l'image ci-dessous, je montre des entrées provenant d'un résolveur de moteur à partir d'un connecteur D-sub. Les paires différentielles gauche et droite sont détectées individuellement, puis la différence entre elles est utilisée pour déterminer la position du moteur. Comme le chemin de retour existe dans les fils correspondants, il n'est pas nécessaire de découper la masse.

En découpant une partie du plan de masse en cuivre de votre couche de masse, vous contrôlez où les courants de retour CC peuvent exister. La contrainte ici est que vous ne pouvez pas router dans la zone divisée sur aucune autre couche. Cela créerait des problèmes d'émissions rayonnées si des traces transportant des signaux sont routées au-dessus de la région découpée. Une manière simple d'accomplir cela est de définir un keepout qui se superpose sur toutes les couches de sorte qu'aucun cuivre ne puisse être placé dans la région autour de votre interface à deux fils.

Interfaces avec alimentation et masse communes

Dans ce type d'interface, l'alimentation et la masse sont partagées entre votre PCB et le dispositif externe. Il y a deux cas ici :

• Le dispositif externe fournit l'alimentation et le signal à votre PCB
• Votre PCB fournit l'alimentation à votre dispositif externe, et le dispositif fournit le signal à votre PCB

Le premier cas est beaucoup plus simple à gérer car le point de retour de l'alimentation est directement vers le dispositif externe. La gestion dans ce cas est plus facile lorsque le signal et l'alimentation sont partagés sur votre connecteur car cela force le chemin de retour CC à être co-localisé avec le signal CC/basse fréquence. Le courant de retour pour le signal de faible niveau est confiné au câble/connecteur, ce qui le maintient éloigné de tout autre signal qui pourrait induire du diaphonie.

Le second cas est plus courant et plus compliqué ; la boucle de circuit complète s'étendra jusqu'au régulateur de puissance pour votre interface CC. Ainsi, le chemin de retour pourrait être très imprévisible, et cela pourrait exiger de placer l'alimentation beaucoup plus près de l'interface du capteur. Si vous pouvez faire cela, il est possible de créer une région dans la conception où seuls les signaux CC/basse fréquence souhaités existent et la région peut être rendue résiliente contre le bruit.

Ces petites cartes de capteur ultrasonique prennent l'alimentation de votre PCB hôte et transmettent le signal via la même interface. Cela pourrait créer une opportunité pour votre signal de recevoir du bruit.

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