Come mettere a terra correttamente gli ADC

Gli ADC sono componenti volubili che diventano più difficili da utilizzare con l'aumentare delle frequenze di campionamento e dei valori di risoluzione. La risoluzione di un ADC e la sua frequenza di campionamento creano problemi nella ricostruzione accurata del segnale, ma c'è un'area in cui le prestazioni dell'ADC sono fortemente influenzate: la definizione della massa in un layout PCB.

Il modo in cui sono scritti i pinout degli ADC e il modo in cui alcune vecchie note applicative descrivono l'uso dell'ADC rischiano di causare un layout e un instradamento errati che accoppiano il rumore all'ingresso dell'ADC. Il risultato è quindi una ricostruzione errata del segnale a causa delle fluttuazioni pseudo-casuali nel segnale di ingresso. Si possono verificare forti EMI anche quando il layout della scheda non consente un corretto ADC grounding a causa dello stackup, della separazione fisica delle masse o di entrambe le cose.

In questo articolo fornirò un contesto ai pin ADC e al loro significato in termini di messa a terra. Gli esperti EMC in questo campo saranno d'accordo: l'approccio migliore nella maggior parte dei sistemi a segnali misti e con la maggior parte degli ADC consiste nell'utilizzare un piano di massa uniforme e non messe a terra separate fisicamente.

Nomi dei pin errati portano a una messa a terra dell'ADC altrettanto errata

Per vedere come si arriva a uno stato in cui vengono implementate così tante linee guida di messa a terra errate per gli ADC, è utile esaminare un tipico pinout per un ADC. Se sei un progettista alle prime armi e non hai mai letto un datasheet per ADC, potresti sorprenderti di trovare linee guida contraddittorie fra i diversi fornitori di semiconduttori.

Per esempio, dai un'occhiata a ADS1274/1278 di Texas Instruments. Nel pinout di questa parte, abbiamo due pin separati sui lati opposti del componente, etichettati AGND e DGND:

La presenza di diversi pin GND, con due nomi diversi che fanno riferimento a due tipi di segnali altrettanto diversi (analogico e digitale), genera confusione sul fatto che l'ADC debba essere cablato con potenziali di terra distinti che devono essere scollegati. L'altra linea guida che vedrai a volte è di collegarli solo in un unico punto.

Se guardi sotto questa figura a pagina 6 nella scheda tecnica, verrà visualizzata la seguente descrizione del pin per AGND:

AGND: collegamento a DGND utilizzando un unico piano

Più avanti nella scheda tecnica, TI fornisce un esempio applicativo con le due masse direttamente collegate. Nessuna net tie, nessuna messa a terra a punto singolo, solo un unico piano uniforme per l'ADC grounding.

L'elemento che può creare più confusione per il progettista alle prime armi è il fatto che altri ADC utilizzeranno solo un singolo pin di terra. Un altro esempio da Texas Instruments è ADS7138. Questo è un ADC più piccolo e ha un solo pin per GND. Il pinout è mostrato di seguito:

Se consideri questo componente con l'idea che la messa a terra analogica e digitale dovrebbero essere totalmente separate, allora potresti essere sorpreso di trovare la seguente linea guida nella pagina 4 della scheda tecnica:

GND: messa a terra per l'alimentatore; tutti i segnali analogici e digitali si riferiscono a questa tensione del pin

Quando leggi "si riferiscono a questa tensione del pin", vuol dire che l'alimentazione analogica e l'alimentazione digitale utilizzano questo stesso punto come riferimento di misurazione.

Altri fornitori di semiconduttori non danno sempre gli stessi consigli corretti. Invece, daranno uno di questi due consigli di progettazione:

1. Unire il pin AGND e il pin DGND in un solo punto
2. Utilizzare diversi collegamenti AGND e DGND che non sono connessi da nessuna parte

Il punto n.2 è praticamente irrilevante; a meno che non si utilizzi un ADC isolato (vedi sotto), c'è comunque un collegamento interno tra questi pin, e non si potranno mai separare le aree di massa a causa di questo collegamento all'interno dell'ADC.

Il punto n. 1 può avere senso, perché almeno imposta un potenziale di messa a terra uniforme, ma è di solito implementato in modo errato. In questo caso, non saresti mai in grado di superare il divario tra le due aree piane, quindi il procedimento limita il layout e la libertà di instradamento. Il punto n. 2 è sostanzialmente uguale al n. 1 ed è un percorso sbagliato per lo stesso motivo, tranne in un caso specifico che richiede l'isolamento tra le sezioni analogiche o digitali (vedi sotto).

La planimetria su un dielettrico sottile previene l'accoppiamento del rumore

Per le schede di interfaccia che funzionano con una sezione digitale e che necessitano di una messa a terra uniforme, consiglio di iniziare con uno stackup a 4 layer con dielettrici esterni sottili e piani di massa su L2/L3. In questo modo disponiamo di un accoppiamento robusto per i percorsi di ritorno dei segnali digitali sul piano di massa adiacente, e ciò contribuirà a evitare che il rumore di commutazione si ricolleghi al lato analogico della progettazione.

Quindi, non hai il problema di utilizzare piani di massa fisicamente separati per cercare di impedire che il rumore si accoppi alla linea di alimentazione analogica del tuo ADC. Invece, concentrati sul posizionamento dei componenti poiché in questo modo contribuirai a prevenire l'accoppiamento del rumore tra circuiti diversi. È qui che si inserisce l'esempio di pinout ADS1274/1278 illustrato in precedenza; in sostanza, i pin sono stati collocati in aree diverse del componente, per cui è facile implementare alcune best practice per il routing nelle interfacce analogiche e digitali.

Instradando il componente in direzioni opposte, aggiungi molto spazio tra le sezioni della scheda digitale e analogica. Questo è il modo migliore per prevenire la diafonia del segnale misto.

Ora diamo un'occhiata all'ADS7138 (vedi sotto). Questo componente presenta un'interfaccia I2C: nota che il pin dati (SDA) viene eseguito proprio accanto a uno degli ingressi analogici. Per garantire un accoppiamento minimo possibile con questo componente, instraderei i due segnali nella scheda in direzioni diagonali opposte. Vorrei anche utilizzare tutti gli altri ingressi analogici prima di utilizzare l'ingresso accanto al pin SDA.

Non collegare i binari di alimentazione con una ferrite e scollega le masse

A volte, insieme ai collegamenti di alimentazione tra i pin di ingresso dell'alimentazione analogici e digitali, viene presentata un'altra cattiva raccomandazione di messa a terra. Di seguito è mostrato un esempio con MAX11900 di Maxim Integrated.

Questa è probabilmente la peggiore raccomandazione in materia di alimentazione e messa a terra per gli ADC che abbia mai sentito, eppure ci sono alcuni fornitori di semiconduttori che propongono note applicative vecchie di 15 anni con questo consiglio sui loro siti web. In effetti, ho visto un'azienda consigliare di seguire il tipo di raccomandazione errata mostrato sopra, ma poi, nella scheda tecnica per lo stesso componente, raccomandare le connessioni corrette senza ferrite e con un unico piano di massa.

Questo tipo di raccomandazione punta a isolare il binario analogico dal binario digitale (il che presuppone un pin separato per il riferimento). L'idea è quella di confinare qualsiasi rumore sul binario digitale (che potrebbe includere molti componenti diversi) dal binario analogico, nel caso in cui si crei un'oscillazione sul binario digitale a causa di un'interfaccia a commutazione rapida (come quella SPI).

Vedrai lo stesso tipo di raccomandazione per isolare un binario analogico su un grande circuito integrato (come un pin di riferimento PLL su un FPGA o un processore) da una guida digitale con la stessa tensione. Consiglierei di simulare questa soluzione per applicazioni come un PLL che deve passare ad alte velocità, al fine di avere un'idea realistica del rumore accoppiato al pin analogico all'interno della larghezza di banda del rumore prevista.

1. Se desideri avere un lato analogico isolato con un ADC isolato (vedi sotto), è sufficiente separare fisicamente il binario analogico. Non è possibile ottenere un'impedenza molto più elevata fino a frequenze di molti GHz se non separando fisicamente i due circuiti!
2. Se è necessario il livello di precisione implicito in questa raccomandazione, occorre utilizzare un circuito di compensazione della carica sugli ingressi del segnale ADC e un riferimento/alimentazione di precisione dedicato con il proprio filtro passa-basso.

I consigli "Male minore" e "Meglio" sono le stesse strategie che useresti in un processore di grandi dimensioni che ha un ingresso di alimentazione analogico per i binari PLL. Ho visto una vecchia presentazione che suggerisce di tenere la ferrite, eppure abbiamo un altro articolo su questo blog che mostra prove contraddittorie. La raccomandazione "Meglio" potrebbe essere utilizzata con il riferimento raziometrico, in cui la sezione digitale viene ridotta per impostare il valore di riferimento analogico.

ADC in sistemi isolati?

In questo tipo di sistema, l'obiettivo principale è isolare completamente la maggior parte del percorso del segnale analogico da tutto il resto del sistema utilizzando piani fisicamente separati e alimentatori separati con riferimenti di precisione. Si tratta però di un procedimento complicato, perché si cerca essenzialmente di accoppiare l'ingresso analogico attraverso lo spazio di isolamento e l'interfaccia analogica, operando solo a livelli bassi che rendono difficile l'accoppiamento.

A questo punto hai due opzioni:

• Utilizzare un ADC isolato che disaccoppia completamente il lato analogico dal lato digitale e non collega nessuno dei pin di terra
• Utilizzare un ottoaccoppiatore o un trasformatore per portare il segnale campionato attraverso lo spazio di isolamento

Una versione di questa soluzione viene eseguita nel blocco del trasformatore e nel circuito di terminazione in Ethernet; dai un'occhiata allo schema elettrico in questo articolo e vedi se riesci a individuare l'area isolata a cui mi riferisco.

C'è un caso in cui ho progettato una piccola scheda a segnale misto con un ADC: misurazioni di tensione SNR molto basse a livelli di corrente nanoampere che funzionano a basse frequenze. Il basso livello di rumore era molto problematico in questo sistema e il fatto che avessimo apparecchiature separate per la fonte, la misurazione e l'acquisizione significava che c'erano problemi con i loop di massa. Abbiamo amplificato il segnale prima del campionamento in modo che occupasse la maggior parte della gamma dinamica nel dispositivo e i dati seriali di uscita fossero forniti a una scheda DAQ per essere acquisiti su un computer.

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