Progetto di progettazione PCB per modulo ADC doppio

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Se la tua scheda include un ADC, allora la tua scheda si qualifica come un sistema a segnale misto e avrà bisogno di alcune pratiche di layout particolari per prevenire eccessivo rumore sulle linee analogiche. Gli ADC sono normalmente componenti non isolati, ma esistono anche in una varietà isolata, dove il componente fornisce isolamento galvanico tra i lati analogico e digitale.

In questo progetto, mostrerò un esempio di design che utilizza entrambi i tipi di ADC nello stesso layout PCB. Questi componenti richiedono pratiche di layout diverse, ma le implementeremo sulla stessa scheda per fornire un buon confronto.

Come in tutti i nostri progetti, c'è un link per scaricare i file sorgente di questo progetto alla fine dell'articolo. Per saperne di più sull'uso di questi tipi di componenti e per seguire l'intero processo di layout, puoi guardare la playlist qui sotto.

Avviando il Modulo ADC

Il modulo ADC che presenterò in questo progetto è destinato a raccogliere due segnali e trasmettere i dati a un'intestazione a pin, che potrebbe poi connettersi a una scheda esterna come un modulo microcontrollore. Il modulo includerà il seguente insieme di componenti principali:

• ISL75051ASEHVFE - Modulo regolatore di potenza rad-hard da 5V a 3V3
• ADC128S102CIMTX - ADC a 8 canali, da 0,5 a 1 MSps a 12 bit
• AMC1203BPSA - ADC di rilevamento corrente isolato sigma-delta a 8 bit a singolo canale da 40 kSps

I segnali che si intendono raccogliere sono destinati ad essere a basse frequenze, come evidenziato dalle loro basse velocità di campionamento. Entrambi gli ADC presuppongono fonti a bassa impedenza, quindi non abbiamo bisogno di un filtro attivo con un buffer di impedenza, e possiamo collegarci direttamente agli ingressi dell'ADC se desiderato. Infine, chiunque sia familiare con i componenti Intersil noterà che l'ISL75051ASEHVFE è un regolatore rad-hard; questo modulo potrebbe essere utilizzato in un sistema spaziale purché gli altri due componenti possano essere qualificati per l'aerospaziale.

Schemi degli ADC isolati e non isolati

Le immagini sottostanti mostrano le due principali parti degli schemi per questo modulo: gli ADC isolati e non isolati. I restanti componenti e circuiti possono essere visualizzati nei file del progetto.

Gli schemi sono semplici; abbiamo bisogno solo di una pagina per tutti i circuiti. Abbiamo due ingressi di alimentazione separati, uno per il lato isolato che passa attraverso un SMA, e un altro per il lato non isolato che passa attraverso il connettore a pin.

Prima, dai un'occhiata agli schemi per l'ADC isolato (AMC1203BPSA) come mostrato di seguito.

Il riferimento analogico per questo componente è impostato internamente, quindi non abbiamo bisogno di un chip di riferimento di precisione per impostare l'intervallo di misurazione. Nota che l'ADC isolato richiede due diverse reti di alimentazione (+5V e +5V_AN), entrambe a +5V basate sul datasheet; queste devono provenire da alimentazioni diverse per garantire che l'isolamento galvanico sia mantenuto attraverso il gap di isolamento in questo componente. J1 e J3 sono i connettori per il segnale analogico in entrata e l'alimentazione in entrata per il lato analogico dell'ADC.

Per proteggere adeguatamente i segnali in entrata, i segnali diretti agli ADC isolati e non isolati sono forniti utilizzando cavo coassiale con connettori SMA verticali (73251-1350 di Molex). Questi connettori e i cavi coassiali collegati avranno un'impedenza di 50 Ohm, ma i segnali in ingresso saranno abbastanza bassi che l'unica interazione apprezzabile esiste tra la sorgente e il carico nel sistema.

Successivamente, dai un'occhiata al circuito per l'ADC standard.

In questo circuito, l'alimentazione è fornita dal regolatore (rete 3V3), che a sua volta riceve alimentazione dalla connessione +5V dal pin header. L'uscita SPI utilizza una resistenza per rallentare leggermente il tasso di salita del segnale prima di instradarlo fuori scheda. Sono inoltre posizionati dei condensatori specificamente per il decoupling/bypass dei pin VA e VD.

Ci sono alcune ipotesi negli schemi sopra:

• La rete +5V_AN non avrà mai bisogno di alta corrente in questa scheda, quindi l'uso di un cavo SMA + coassiale per l'alimentazione è appropriato. Tensioni/correnti superiori a queste richiederanno componenti diversi.
• La larghezza di banda del segnale di ingresso è limitata solo dalla frequenza di campionamento di ciascun ADC. Se è necessaria una larghezza di banda inferiore, aggiungere un filtro RC passa-basso e operare alla massima frequenza di campionamento per l'anti-aliasing.
• La connessione +5V sul pin header si presume sia regolata e relativamente priva di rumore. Se non regolata, sarà necessario un regolatore +5V sull'ingresso.
• I pin VA e VD su U2 non sono isolati perché U2 è l'unico componente che tira fronti digitali veloci per la sua interfaccia SPI. Se ci fossero più componenti sul bus 3V3, allora vorremmo sicuramente considerare di limitare la banda di potenza al pin VA vicino a 1 MHz.

Con questi punti chiariti, possiamo procedere allo stackup. Il nostro stackup dovrà supportare 2 interfacce digitali ragionevolmente veloci (una per ciascun ADC) e due linee di alimentazione separate per gli ADC.

Progettazione del layout e Stackup PCB

Poiché questa scheda contiene un componente isolato, la scheda deve avere un piano di layout particolare che consente una regione isolata. Possiamo realizzare tutto su questa scheda su un singolo strato, ma abbiamo bisogno di una massa per prevenire l'accoppiamento induttivo tra le sezioni analogiche e digitali, il che richiede un piano di massa interno. Pertanto, possiamo utilizzare un semplice stackup PCB a 4 strati con GND interno.

Lo stackup finale è mostrato di seguito. In questo stackup, abbiamo utilizzato un stackup SIG+PWR/GND/GND/SIG; i componenti saranno sul lato superiore e il lato inferiore può essere utilizzato per ulteriori routing secondo necessità.

In questo stackup, il valore di Dk non è così importante poiché non abbiamo requisiti di impedenza controllata. Il punto importante qui è lo strato esterno sottile, così come GND su L2 e L3. Lo strato esterno sottile con terra adiacente è fondamentale per sopprimere il rumore, come ho sottolineato in un diverso articolo sull'estrazione parassitaria.

Successivamente, la sezione isolata deve essere posizionata nella propria area con i suoi connettori SMA che forniscono alimentazione e segnale. Ho isolato questa nella parte sinistra della scheda, mentre i componenti rimanenti saranno posizionati sulla parte destra. Il posizionamento iniziale è mostrato di seguito.

Il posizionamento iniziale allinea tutte le sezioni analogiche sul lato sinistro della scheda, mentre il regolatore e le linee I/O sono indirizzate direttamente verso destra (principalmente sullo strato posteriore). Questa è una strategia tipica per minimizzare l'accoppiamento di rumore tra le linee digitali e le linee di alimentazione analogiche. La barriera di isolamento corre verticalmente sotto U3, quindi è lì che divideremo le reti di terra in GND e AGND per mantenere l'isolamento richiesto.

Per effettuare questa divisione, ho implementato una piccola regione di versamento di rame che si estende attraverso tutti e 4 gli strati nel PCB. La regione fornisce connessioni AGND su J1 e J3, e gli strati saranno connessi con delle vie di stitching.

Le connessioni termiche sui pad SMA verranno rimosse modificando le regole di progettazione. Utilizzo una strategia simile nella sezione non isolata, ma con la differenza che il riempimento su L2 passa sotto l'intera connessione ADC. Aggiungerò anche delle vie di stitching a quella sezione per la soppressione del rumore. Con questo punto completato, possiamo ora instradare il resto delle connessioni.

Un punto che vorrei sottolineare qui è il posizionamento dei condensatori. Proprio come nel caso di un componente digitale, è importante posizionare i condensatori che alimentano il pin di alimentazione analogico vicino a quei pin. In questo modo, il sottosistema analogico sarà in grado di attingere sufficiente potenza nel suo intervallo di campionamento e ci sarà un minimo dropout per qualsiasi riferimento interno. Un esempio è mostrato di seguito. Specificamente, abbiamo posizionato C18 e C19 per l'alimentazione digitale, e C16 e C17 per il lato analogico.

Routing e Layout Finalizzati

Dopo alcuni spostamenti di componenti, sono riuscito a muovere i grandi condensatori (C9 e C13) in modo che si trovino più al centro della scheda. Questo mi permette di ridurre un po' le dimensioni della scheda in modo da non avere una grande area aperta senza componenti o tracciati. Poi, su L2 e L3, ho distribuito la massa ovunque per mantenere la distribuzione del rame nello stackup per lo più simmetrica. Il tracciato finale, con le vie di stitching incluse, è mostrato di seguito.

In questa vista, puoi vedere l'ingresso +5V e l'uscita +3V3 tracciati come grandi poligoni, mentre gli altri poligoni sullo strato superiore sono GND o AGND. Tutti i segnali digitali sono tracciati sullo strato inferiore eccetto i punti in cui devono connettersi agli ADC su L1.

Una vista 3D del layout finale della PCB è mostrata nell'immagine qui sotto. Come al solito, abbiamo alcuni loghi, così come una legenda serigrafica per il pinout sull'intestazione dei pin. Gli SMA posizionati sul lato sinistro hanno delle vie di stitching per collegare insieme quella regione di terra su tutti gli strati e per prevenire che interferenze RF vaganti si propaghino in quella parte del substrato. Queste linee non sono inoltre progettate per un'impedenza specifica, e l'assunzione qui è che i segnali di ingresso saranno di frequenze così basse che le linee di alimentazione sono elettricamente corte.

Cosa Possiamo Aggiungere Ancora a Questo Modulo?

Il design come mostrato sopra è pensato per interfacciarsi con un modulo microcontrollore esterno per raccogliere ed elaborare i dati tramite il connettore a pin. Per continuare lo sviluppo di questa scheda, si potrebbe posizionare una sezione digitale con un microcontrollore sullo strato posteriore, dove il microcontrollore accetta i dati forniti dalle uscite degli ADC. Un piccolo microcontrollore come il PIC (di Microchip) o un STM32 più piccolo (ST Microelectronics) sarebbe appropriato per questo modulo.

Il design, così com'è ora, presume un'impedenza di sorgente bassa e nessun filtraggio per limitare la larghezza di banda del segnale raccolto dal dispositivo. Questo è già limitato dalla frequenza di campionamento basata sulla frequenza di campionamento di Nyquist, ma i segnali a bassa frequenza potrebbero essere sovracampionati e fatti passare attraverso un filtro anti-aliasing RC per ridurre ulteriormente il rumore.

Se utilizzi un microcontrollore sullo strato posteriore, è probabile che abbia un'interfaccia di output per inviare dati a un altro dispositivo, come un computer. Questo potrebbe essere fatto tramite un'interfaccia UART o direttamente tramite USB. L'opzione UART è utile poiché potrebbe poi essere indirizzata a un'intestazione a 2 pin, che poi sarebbe connessa al dispositivo di destinazione. Poiché molti microcontrollori hanno un'opzione UART, il prossimo progetto che presenterò sarà un modulo convertitore da UART a USB che potrebbe accettare dati da un microcontrollore come ho descritto qui.

Segui questo link per scaricare un archivio ZIP con i file sorgente del progetto. Puoi anche usare il link di download nell'embed sopra per accedere ai file sorgente.

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