혼합 신호 PCB에서의 DC-인지 반환 전류

고속 PCB 설계 규칙 중 하나는 신호의 반환 전류 경로를 추적하는 것입니다. 이는 실제로 들리는 것보다 훨씬 쉬운데, 빠른 디지털 신호나 중간 주파수 아날로그 신호의 반환 경로는 상당 부분 트레이스 아래에 제한됩니다. 매우 낮은 주파수나 DC에서는 반환 경로가 기술적으로 어디에나 존재할 수 있으며, 이는 오디오 설계, 저주파 센서 인터페이스 설계 및 순수 DC 시스템에서 볼 수 있는 일부 대체 라우팅 관행으로 이어집니다. 접지면은 EMI 차폐 측면에서만 이점을 제공하지만, 반환 경로를 직접 트레이스 아래로 제한하지는 않습니다.

저주파수나 DC에서 작동하는 일부 장치들도 회로를 완성하므로 반환 경로가 있습니다. 따라서 이러한 장치 중 하나를 사용해야 하고, 장치의 SNR 값이 낮다고 가정할 때, 반환 경로 루프가 잡음에 민감해지지 않도록 어떻게 보장할 수 있을까요?

여기에서는 매우 낮은 주파수 신호나 DC 신호를 측정해야 하지만, 전류 루프가 타이트하도록 반환 경로를 추적해야 하는 이러한 유형의 구성 요소로 작업할 수 있는 몇 가지 방법을 보여주고 싶습니다. 아래에서 몇 가지 구체적인 사례를 살펴보겠습니다.

DC 반환 경로는 어디에 있나요?

저를 포함한 많은 사람들이 아래와 같이 그린 그림을 보여주었는데, 이는 트레이스를 따라 AC 반환 경로와 동일한 트레이스에 대한 DC 반환 경로의 차이를 보여주기 위한 것입니다. 물리학에 더 깊이 들어가지 않고, AC 반환 경로가 최소 임피던스의 경로이며, DC 반환 경로가 최소 저항의 경로라는 것이 잘 알려져 있다고만 말하겠습니다.

2019년에 이 반환 경로 그림을 만들어 평면에서 DC 전류가 흐르는 것에 대해 개념적으로 설명하였습니다; 이 기사에서 더 알아보세요.

이 작은 정보를 바탕으로, 이제 특정 상황에서 원하는 곳에 DC 반환 전류를 유지하는 방법에 대해 생각해 봅시다. DC 반환 경로는 입력 트레이스 아래를 포함하여 어디에나 있을 수 있다는 사실이 명확해야 합니다(단일 종단 인터페이스를 가정). 이 사실과 구성 요소에 대한 도체 인터페이스는 DC 반환 경로를 어떻게 제한할 수 있는지, 그리고 저주파수에서 낮은 잡음을 어떻게 달성할 수 있는지를 결정합니다. 이것이 다양한 아날로그 구성 요소나 센서와 어떻게 작동하는지 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.

차동 인터페이스를 가진 센서

차동 인터페이스는 고속 신호를 전달하는 차동 쌍만을 위한 것이 아닙니다. 저주파수나 아날로그 인터페이스도 차동일 수 있습니다. 이 경우 저주파수나 DC 신호의 읽기는 두 도체 사이의 전위 차이로서 신호의 전압을 취하는 것과 동일한 방식으로 작동합니다. 이러한 구성 요소의 예로는:

• RTD 센서
• 압력 센서
• 차동 증폭기의 출력
• 위치 센서

합성에서도 비슷한 아이디어가 적용되며, 설계에서 DAC 또는 조정 가능한 DC 소스를 사용하여 전압을 생성한 다음 차동 출력을 가진 증폭기/드라이버를 통해 전달합니다. 어느 경우든, 이 DC 연결에서 수신되는 노이즈를 결정하는 요소는 동일합니다.

이것은 이 기사에서 보여준 세 가지 경우 중 가장 쉬운 경우일 수 있습니다. 이유는 매우 간단합니다: 차동 쌍을 라우팅하고 있기 때문이며, 이 경우 쌍은 지면 위로 라우팅되어야 합니다. DC에서, 이 차동 쌍은 인터페이스의 음극 부분으로 반환 전류를 완전히 제한합니다. 스위칭이 없으므로 근처의 접지면에서 변위 전류가 없으며, 따라서 반환 전류의 그 부분을 추적할 필요가 없습니다. 여기에는 길이 조정을 제외하고 표준 차동 쌍 라우팅 규칙이 적용됩니다.

차동 증폭기 및 차동 ADC 인터페이스. DC 신호에서, 각 트레이스는 다른 트레이스의 보완적인 반환 경로를 제공합니다. 이 이미지는 Texas Instruments의 THS770006을 보여주지만, 다른 차동 구성 요소도 DC 센서 인터페이스에서 사용될 수 있습니다.

공통 접지를 가진 2선식 센서 인터페이스

최근에 저는 정밀 모션 제어 프로젝트에서 작업한 한 예로, 위상이 반대인 사인파 형태의 두 개의 전선이 있었습니다. 아날로그 프론트엔드는 이 두 전선과 참조 발진기 신호 사이의 차이를 측정하여 매우 정밀하게 소형 모터의 위치를 결정합니다.

이 경우, 두 개의 별도의 전선이 공통 접지를 가지고 있기 때문에 진정한 차동 인터페이스가 아닙니다. 공통 접지는 반환 전류를 운반하는 반면, 각 전선은 신호의 일부를 운반합니다. SNR 값이 낮을 때, 반환 전류가 있는 접지 영역은 모든 다른 접지 영역으로부터 격리되어야 합니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 센서 인터페이스 주변에 작은 접지 불연속성을 가지는 것입니다.

이 2선식 인터페이스는 진정한 차동 쌍을 요구하지 않고 노이즈 제어를 제공하는 간단한 방법을 제공합니다.

어떤 경우에는 아날로그 프론트 엔드로 들어오는 차동 DC 전선 그룹이 있습니다. 아래 이미지에서는 D-sub 커넥터에서 모터 리졸버의 입력을 보여주고 있습니다. 왼쪽과 오른쪽의 차동 쌍이 각각 감지되며, 그 차이를 사용하여 모터 위치를 결정합니다. 반환 경로가 해당 전선에 존재하기 때문에 그라운드 컷아웃이 필요하지 않습니다.

그라운드 레이어에서 구리를 일부 제거함으로써 DC 반환 전류가 존재할 수 있는 위치를 제어합니다. 여기서 제약사항은 분할 영역에서 다른 레이어로 라우팅할 수 없다는 것입니다. 이는 신호를 전달하는 트레이스가 컷아웃 영역 위로 라우팅될 경우 방사된 방출 문제를 일으킬 수 있습니다. 이를 달성하는 간단한 방법은 모든 레이어에 중첩되는 킵아웃을 정의하여 두 전선 인터페이스 주변 영역에 구리가 배치되지 않도록 하는 것입니다.

공통 전원 및 그라운드를 가진 인터페이스

이 유형의 인터페이스에서는 PCB와 외부 장치 간에 전원과 그라운드가 공유됩니다. 여기에는 두 가지 경우가 있습니다:

• 외부 장치가 전원과 신호를 PCB에 공급합니다
• PCB가 외부 장치에 전원을 공급하고, 장치가 PCB에 신호를 공급합니다

첫 번째 경우는 전원 반환 지점이 외부 장치로 직접 연결되기 때문에 처리하기가 훨씬 쉽습니다. 이 경우에서 가장 쉬운 관리는 신호와 전원이 커넥터에서 공유될 때 이루어지며, 이는 DC 반환 경로가 DC/저주파 신호와 함께 위치하도록 강제합니다. 저레벨 신호의 반환 전류는 케이블/커넥터에 한정되어 다른 신호가 크로스토크를 유발할 수 있는 것으로부터 멀리 유지됩니다.

두 번째 경우는 더 일반적이고 복잡합니다; 완전한 회로 루프는 DC 인터페이스를 위한 전원 조정기까지 확장됩니다. 그래서 반환 경로는 매우 예측할 수 없을 수 있으며, 이는 센서 인터페이스에 공급을 훨씬 더 가까이 배치해야 할 수도 있습니다. 이를 수행할 수 있다면, 원하는 DC/저주파 신호만 존재하고 영역이 노이즈에 대해 강력하게 유지될 수 있는 영역을 만들 수 있습니다.

이 작은 초음파 센서 보드는 호스트 PCB에서 전원을 받고 동일한 인터페이스를 통해 신호를 전달합니다. 이는 신호가 노이즈를 받을 수 있는 기회를 만들 수 있습니다.

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