Corrente di Ritorno Consapevole della DC nei PCB a Segnale Misto

Una regola comune nella progettazione di PCB ad alta velocità è: tenere traccia del percorso di ritorno della corrente per i tuoi segnali. Questo è in realtà molto più semplice di quanto sembri, poiché il percorso di ritorno per un segnale digitale veloce o anche per un segnale analogico di frequenza moderata è confinato sotto la traccia in misura significativa. A frequenze molto basse o in DC, il percorso di ritorno potrebbe tecnicamente esistere ovunque, il che porta ad alcune pratiche di routing alternative che potresti vedere nei progetti audio, nei progetti di interfaccia per sensori a bassa frequenza e nei sistemi puramente in DC. Il piano di massa offre un vantaggio in termini di schermatura EMI, ma non confina direttamente il percorso di ritorno sotto le tracce.

Ci sono alcuni dispositivi che operano a basse frequenze o in DC, e questi dispositivi completano anche un circuito e quindi hanno un percorso di ritorno. Quindi, se hai bisogno di utilizzare uno di questi dispositivi, e supponiamo che il valore SNR per il dispositivo sia basso, come puoi assicurarti che il loop del percorso di ritorno non crei suscettibilità al rumore?

Qui voglio mostrare alcuni modi in cui puoi lavorare con questi tipi di componenti, dove un segnale di frequenza molto bassa o un segnale in DC deve essere misurato, ma il percorso di ritorno deve essere tracciato per assicurare che il loop di corrente sia stretto. Esamineremo alcuni casi specifici di seguito.

Dove si trova il percorso di ritorno in DC?

Io e molti altri abbiamo mostrato disegni come quello illustrato di seguito, che intende mostrare la differenza tra un percorso di ritorno in AC lungo una traccia e un percorso di ritorno in DC per la stessa traccia. Senza entrare più a fondo nella fisica, dirò semplicemente che è ben noto che il percorso di ritorno in AC è il percorso di minore impedenza, mentre il percorso di ritorno in DC è il percorso di minore resistenza.

Ho creato questo disegno del percorso di ritorno nel 2019 per illustrare concettualmente cosa succede alle correnti in DC che scorrono in un piano; scopri di più in questo articolo.

Con questa piccola informazione a disposizione, ora pensiamo a come mantenere le correnti di ritorno in DC dove le vogliamo in situazioni specifiche. Dovrebbe essere chiaro che il percorso di ritorno in DC potrebbe essere ovunque, incluso sotto la traccia di ingresso (assumendo un'interfaccia single-ended). Questo fatto, così come l'interfaccia del conduttore con i tuoi componenti, determina come il percorso di ritorno in DC può essere confinato e puoi ottenere bassi livelli di rumore a basse frequenze. Per vedere come funziona con vari componenti analogici o sensori, diamo un'occhiata ad alcuni esempi.

Sensore con un'interfaccia differenziale

Le interfacce differenziali non sono costruite solo per coppie differenziali che trasportano segnali ad alta velocità. Anche le interfacce a bassa frequenza o analogiche possono essere differenziali. La lettura del segnale a bassa frequenza o in DC in questo caso funziona allo stesso modo: la tensione del segnale viene presa come differenza di potenziale tra i due conduttori. Esempi di questi componenti includono:

• Sensore RTD
• Sensori di pressione
• Uscita da un amplificatore differenziale
• Sensori di posizione

Un'idea simile si applica nella sintesi, dove un progetto utilizza un DAC o una fonte DC regolabile per generare una tensione che viene poi passata attraverso un amplificatore/driver con uscita differenziale. In entrambi i casi, i fattori che determinano il rumore ricevuto su questo collegamento DC sono gli stessi.

Questo è probabilmente il caso più semplice tra i tre presentati in questo articolo. Il motivo è piuttosto semplice: è perché si sta instradando una coppia differenziale e, in questo caso, la coppia dovrebbe essere instradata sopra il terreno. In DC, questa coppia differenziale confina completamente la corrente di ritorno alla parte di polarità negativa dell'interfaccia. Non ci sono commutazioni, quindi non c'è corrente di spostamento in un piano di terra vicino, quindi non dobbiamo preoccuparci di tracciare quella parte della corrente di ritorno. Qui si applicano le regole standard di instradamento della coppia differenziale con l'eccezione dell'accordatura della lunghezza.

Interfaccia amplificatore differenziale e ADC differenziale. Con un segnale DC, ogni traccia fornisce un percorso di ritorno complementare per l'altra traccia. Questa immagine mostra il THS770006 di Texas Instruments, ma altri componenti differenziali potrebbero essere utilizzati in un'interfaccia di sensore DC.

Interfaccia sensore a due fili con terra comune

Un esempio recente con cui ho lavorato su un progetto di controllo del movimento di precisione coinvolgeva una coppia di fili che trasportavano onde sinusoidali fuori fase. Il front-end analogico misura la differenza tra questi due fili e un segnale di oscillatore di riferimento viene utilizzato per estrarre la differenza di fase al fine di determinare molto precisamente la posizione di un piccolo motore.

In questo caso, non si ha una vera interfaccia differenziale perché si hanno due fili separati con una terra comune. La terra comune trasporta la corrente di ritorno mentre ciascuno dei fili trasporta parte di un segnale. Quando il valore SNR è basso, la regione di terra con la corrente di ritorno dovrebbe essere isolata da tutte le altre regioni di terra. Un modo per fare ciò è avere piccole discontinuità di terra intorno all'interfaccia del sensore.

Questa interfaccia a 2 fili offre un modo semplice per controllare il rumore senza richiedere una vera coppia differenziale.

Un'altra opzione in alcuni casi è dove si hanno gruppi di cavi CC differenziali che arrivano al front-end analogico. Nell'immagine sottostante, mostro gli ingressi da un resolver del motore da un connettore D-sub. Le coppie differenziali sinistra e destra sono rilevate individualmente, e poi la differenza tra esse è utilizzata per determinare la posizione del motore. Poiché il percorso di ritorno esiste nei fili corrispondenti, il taglio della massa non è necessario.

Rimuovendo parte del rame nel tuo strato di massa, stai controllando dove possono esistere le correnti di ritorno CC. Il vincolo qui è che non puoi tracciare nell'area divisa su nessun altro strato. Questo creerebbe problemi con le emissioni irradiate se qualsiasi traccia che trasporta segnali viene tracciata sopra la regione di taglio. Un modo semplice per realizzare ciò è definire un keepout che si sovrappone su tutti gli strati in modo che nessun rame possa essere posizionato nella regione attorno alla tua interfaccia a due fili.

Interfacce Con Alimentazione e Massa Comuni

In questo tipo di interfaccia, alimentazione e massa sono condivise tra il tuo PCB e il dispositivo esterno. Ci sono due casi qui:

• Il dispositivo esterno fornisce alimentazione e segnale al tuo PCB
• Il tuo PCB fornisce alimentazione al tuo dispositivo esterno, e il dispositivo fornisce segnale al tuo PCB

Il primo caso è molto più semplice da gestire poiché il punto di ritorno dell'alimentazione è direttamente al dispositivo esterno. La gestione in questo caso è più facile quando segnale e alimentazione sono condivisi sul tuo connettore poiché ciò costringe il percorso di ritorno CC ad essere collocato insieme al segnale CC/bassa frequenza. La corrente di ritorno per il segnale di basso livello è confinata al cavo/connettore, il che la tiene lontana da qualsiasi altro segnale che potrebbe indurre diafonia.

Il secondo caso è più comune e più complicato; l'intero circuito si estenderà fino al regolatore di potenza per la tua interfaccia CC. Quindi, il percorso di ritorno potrebbe essere molto imprevedibile, e ciò potrebbe richiedere di posizionare l'alimentazione molto più vicino all'interfaccia del sensore. Se puoi fare ciò, è possibile creare una regione nel progetto dove esistono solo i segnali CC/bassa frequenza desiderati e la regione può essere mantenuta resiliente contro il rumore.

Queste piccole schede sensore ultrasoniche prendono alimentazione dal tuo PCB ospite e trasmettono segnale sulla stessa interfaccia. Questo potrebbe creare un'opportunità per il tuo segnale di ricevere rumore.

Sia che tu debba costruire elettronica di potenza affidabile o sistemi digitali avanzati, utilizza il set completo di funzionalità per il design di PCB e strumenti CAD di classe mondiale in Altium Designer®. Per implementare la collaborazione nell'ambiente interdisciplinare di oggi, le aziende innovative stanno utilizzando la piattaforma Altium 365™ per condividere facilmente i dati di progettazione e avviare la produzione dei progetti.

Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.