이중 ADC 모듈 PCB 설계 프로젝트

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보드에 ADC가 포함되어 있다면, 보드는 혼합 신호 시스템으로 분류되며 아날로그 라인의 과도한 노이즈를 방지하기 위해 특정 레이아웃 관행이 필요합니다. ADC는 일반적으로 비절연 구성 요소이지만, 아날로그와 디지털 측면 사이에 갈바닉 절연을 제공하는 절연된 종류도 있습니다.

이 프로젝트에서는 같은 PCB 레이아웃에 두 종류의 ADC를 사용하는 예제 디자인을 보여줄 것입니다. 이러한 구성 요소는 다른 레이아웃 관행을 요구하지만, 좋은 비교를 제공하기 위해 같은 보드에 구현할 것입니다.

모든 프로젝트에서 그렇듯이, 이 프로젝트의 소스 파일을 다운로드할 수 있는 링크가 기사의 끝에 있습니다. 이러한 유형의 구성 요소를 사용하는 방법을 자세히 알아보고 전체 레이아웃 과정을 따라가려면 아래 재생 목록을 시청하세요.

ADC 모듈 시작하기

이 프로젝트에서 제시할 ADC 모듈은 두 신호를 수집하여 핀 헤더로 데이터를 전달하도록 설계되었으며, 이는 외부 보드(예: 마이크로컨트롤러 모듈)에 연결될 수 있습니다. 모듈은 다음과 같은 주요 구성 요소 세트를 포함할 것입니다:

• ISL75051ASEHVFE - 방사선 내성 5V에서 3V3 전력 조절 모듈
• ADC128S102CIMTX - 8채널, 0.5에서 1 MSps 12비트 ADC
• AMC1203BPSA - 단일 채널 40 kSps 8비트 시그마-델타 절연 전류 감지 ADC

수집되는 신호는 낮은 샘플링 속도로 인해 저주파수를 대상으로 한다는 것을 의미합니다. 두 ADC 모두 저임피던스 소스를 가정하므로, 임피던스 버퍼가 있는 활성 필터가 필요 없으며, 원한다면 ADC 입력에 직접 연결할 수 있습니다. 마지막으로, Intersil 구성 요소에 익숙한 사람이라면 ISL75051ASEHVFE가 방사선 내성 조절기라는 것을 알 수 있을 것입니다; 이 모듈은 다른 두 구성 요소가 항공우주 자격을 갖추고 있다면 우주 시스템에서 사용될 수 있습니다.

절연 및 비절연 ADC의 회로도

아래 이미지는 이 모듈의 두 주요 부분, 즉 절연 및 비절연 ADC의 회로도를 보여줍니다. 나머지 구성 요소와 회로는 프로젝트 파일에서 볼 수 있습니다.

도면은 간단합니다; 모든 회로에 필요한 페이지는 하나뿐입니다. 우리는 두 개의 별도의 전원 입력을 가지고 있는데, 하나는 SMA를 통해 들어오는 격리된 쪽을 위한 것이고, 다른 하나는 핀 헤더를 통해 들어오는 비격리 쪽을 위한 것입니다.

먼저, 아래에 표시된 대로 격리된 ADC(AMC1203BPSA)의 회로도를 살펴보십시오.

이 구성 요소의 아날로그 참조는 내부적으로 설정되므로, 측정 범위를 설정하기 위한 정밀 참조 칩이 필요하지 않습니다. 격리된 ADC는 데이터시트에 기반하여 두 개의 다른 전원 네트(+5V 및 +5V_AN), 모두 +5V가 필요하다는 점에 유의하십시오; 이들은 구성 요소의 격리 간격을 통한 갈바닉 격리가 유지되도록 다른 공급원에서 와야 합니다. J1과 J3은 들어오는 아날로그 신호와 ADC의 아날로그 측의 입력 전원을 위한 커넥터입니다.

들어오는 신호를 적절히 차폐하기 위해, 격리된 및 비격리된 ADC로 들어오는 신호는 수직 SMA 커넥터(73251-1350 from Molex)를 사용하여 동축 케이블을 통해 제공됩니다. 이 커넥터와 부착된 동축 케이블은 50 옴의 임피던스를 가지지만, 입력 신호는 시스템의 소스와 부하 사이에서만 유의미한 상호 작용이 존재할 정도로 충분히 낮을 것입니다.

다음으로, 표준 ADC의 회로를 살펴보십시오.

이 회로에서는 전원이 레귤레이터(3V3 넷)에 의해 제공되며, 이는 차례로 핀 헤더에서의 +5V 연결로부터 전원을 받습니다. SPI 출력은 신호를 보드 밖으로 라우팅하기 전에 에지 속도를 약간 늦추기 위해 저항을 사용합니다. 또한, VA 및 VD 핀을 특별히 분리/바이패스하기 위해 커패시터가 배치됩니다.

위 스키마틱에는 몇 가지 가정이 있습니다:

• 이 보드에서 +5V_AN 넷은 높은 전류를 필요로 하지 않을 것이므로, SMA + 동축 케이블을 전원용으로 사용하는 것이 적절합니다. 이보다 높은 전압/전류는 다른 구성 요소가 필요합니다.
• 입력 신호 대역폭은 각 ADC의 샘플링 속도에 의해서만 제한됩니다. 더 낮은 대역폭이 필요한 경우, 저역 통과 RC 필터를 추가하고 안티 에일리어싱을 위해 최대 샘플 속도로 실행하십시오.
• 핀 헤더의 +5V 연결은 규제되고 상대적으로 노이즈가 없는 것으로 가정됩니다. 규제되지 않은 경우, 입력에 +5V 레귤레이터가 필요할 것입니다.
• U2의 VA 및 VD 핀은 U2가 SPI 인터페이스를 위해 빠른 디지털 에지를 당기는 유일한 구성 요소이기 때문에 분리되지 않습니다. 3V3 버스에 더 많은 구성 요소가 있었다면, 우리는 분명히 VA 핀에 대한 전원을 1 MHz 근처에서 대역 제한하는 것을 고려하고 싶을 것입니다.

이러한 점들을 해결했으니, 이제 스택업으로 넘어갈 수 있습니다. 우리의 스택업은 2개의 비교적 빠른 디지털 인터페이스(각 ADC마다 하나씩)와 ADC로 들어가는 두 개의 별도의 급전선을 지원해야 합니다.

플로어플래닝 및 PCB 스택업

이 보드에는 분리된 구성 요소가 포함되어 있기 때문에, 분리된 영역을 가능하게 하는 특정한 플로어 플랜이 필요합니다. 이 보드의 모든 것을 단일 레이어에서 처리할 수 있지만, 아날로그와 디지털 섹션 간의 유도 결합을 방지하기 위해 접지가 필요합니다. 이는 내부 접지면을 요구합니다. 따라서, 내부 GND를 가진 간단한 4-레이어 PCB 스택업을 사용할 수 있습니다.

완성된 스택업은 아래에 표시되어 있습니다. 이 스택업에서는 SIG+PWR/GND/GND/SIG 스택업을 사용했으며, 구성 요소는 상단에 있고 필요에 따라 하단은 추가 라우팅 용도로 사용할 수 있습니다.

이 스택업에서 Dk 값은 제어된 임피던스 요구 사항이 없기 때문에 그다지 중요하지 않습니다. 여기서 중요한 점은 얇은 외부 레이어와 L2 및 L3의 GND입니다. 인접한 접지가 있는 얇은 외부 레이어는 기생 추출에 관한 다른 기사에서 지적한 바와 같이 노이즈를 억제하는 데 핵심입니다.

다음으로, 분리된 섹션을 자체 영역에 배치해야 하며, SMA 커넥터가 전력과 신호를 제공합니다. 저는 이를 보드의 왼쪽에 분리시켰고, 나머지 구성 요소는 오른쪽에 위치할 것입니다. 초기 배치는 아래에 표시되어 있습니다.

초기 배치는 보드의 왼쪽에 모든 아날로그 섹션을 정렬하고, 레귤레이터와 I/O 라인은 주로 뒷면 레이어로 오른쪽으로 직접 라우팅됩니다. 이는 디지털 라인과 아날로그 피드라인 사이의 노이즈 결합을 최소화하기 위한 전형적인 전략입니다. 격리 장벽은 U3 아래에 수직으로 실행되므로, 여기에서 GND와 AGND로 그라운드 네트를 분리하여 필요한 격리를 유지할 것입니다.

이 분리를 수행하기 위해, 저는 PCB의 모든 4개 레이어를 관통하는 작은 구리 푸어 영역을 구현했습니다. 이 영역은 J1과 J3에서 AGND 연결을 제공하며, 레이어는 스티칭 비아로 연결될 것입니다.

SMA 패드의 열 연결은 설계 규칙을 변경하여 제거될 것입니다. 저는 비분리 섹션에서도 유사한 전략을 사용하지만, L2에 푸어가 전체 ADC 연결 아래로 진행된다는 점이 다릅니다. 또한, 그 섹션에 스티칭 비아를 추가하여 노이즈 억제를 할 것입니다. 이 점을 완료함으로써, 이제 나머지 연결을 라우팅할 수 있습니다.

여기서 주목하고 싶은 한 가지는 커패시터 배치입니다. 디지털 구성 요소의 경우와 마찬가지로, 아날로그 전원 핀에 전력을 공급하는 모든 캡을 해당 핀에 가깝게 배치하는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 아날로그 하위 시스템이 샘플링 간격 내에 충분한 전력을 끌어올 수 있고, 내부 참조에 대한 드롭아웃이 최소화됩니다. 아래에 예시가 나와 있습니다. 구체적으로, 디지털 공급을 위해 C18과 C19를, 아날로그 측면을 위해 C16과 C17을 배치했습니다.

라우팅 및 레이아웃 확정

일부 구성 요소의 위치를 변경한 후, 대형 캐패시터(C9 및 C13)를 보드 중앙 부분에 더 배치할 수 있게 되어 보드 크기를 다소 줄일 수 있었습니다. 이렇게 하면 구성 요소나 라우팅이 없는 큰 빈 공간이 생기지 않습니다. 그런 다음 L2와 L3에서는 구리 분포가 스택업에서 대체로 대칭을 이루도록 모든 곳에 접지를 실행했습니다. 스티칭 비아가 포함된 최종 라우팅은 아래에 표시되어 있습니다.

이 보기에서는 +5V 입력과 +3V3 출력이 큰 폴리곤으로 라우팅된 것을 볼 수 있으며, 상단 레이어의 다른 폴리곤은 GND 또는 AGND입니다. 모든 디지털 신호는 L1의 ADC에 연결해야 하는 지점을 제외하고는 하단 레이어에서 라우팅됩니다.

최종 PCB 레이아웃의 3D 보기는 아래 이미지에 표시되어 있습니다. 평소와 같이, 몇몇 로고와 핀 헤더의 핀아웃에 대한 실크스크린 범례가 있습니다. 왼쪽에 배치된 SMA는 모든 레이어에서 해당 접지 영역을 함께 묶고 기판의 그 부분으로 전파되는 잠재적인 RF 간섭을 방지하기 위해 스티칭 비아가 있습니다. 이 선들은 특정 임피던스로 설계되지 않았으며, 여기서의 가정은 입력 신호가 그렇게 낮은 주파수일 것이라는 것이며, 급전선은 전기적으로 짧다는 것입니다.

이 모듈에 무엇을 더 추가할 수 있을까요?

위에 표시된 디자인은 외부 마이크로컨트롤러 모듈과 인터페이스하여 핀 헤더를 통해 데이터를 수집하고 처리하도록 의도되었습니다. 이 보드를 계속 개발하기 위해, 마이크로컨트롤러가 ADC에서 제공하는 출력 데이터를 수용하는 디지털 섹션을 뒷면 레이어에 배치할 수 있습니다. Microchip의 PIC 또는 ST Microelectronics의 작은 STM32와 같은 작은 마이크로컨트롤러가 이 모듈에 적합할 것입니다.

현재 디자인은 낮은 소스 임피던스를 가정하고 있으며, 장치가 수집하는 신호의 대역폭을 제한하기 위한 필터링이 없습니다. 이는 이미 Nyquist 샘플링 속도에 기반한 샘플 속도에 의해 제한되지만, 저주파 신호는 과샘플링되어 RC 안티에일리어싱 필터를 통해 노이즈를 추가로 줄일 수 있습니다.

마이크로컨트롤러를 뒷면 레이어에 사용하는 경우, 컴퓨터와 같은 다른 장치에 데이터를 보내기 위한 출력 인터페이스가 있을 것입니다. 이는 UART 인터페이스를 통하거나 USB를 직접 사용하여 수행될 수 있습니다. UART 옵션은 2핀 헤더로 라우팅될 수 있으므로 목적지 장치에 연결될 수 있기 때문에 유용합니다. 많은 마이크로컨트롤러에 UART 옵션이 있기 때문에, 다음 프로젝트는 여기서 설명한 것처럼 마이크로컨트롤러로부터 데이터를 받아들일 수 있는 UART에서 USB로 변환하는 모듈이 될 것입니다.

이 링크를 따라 ZIP 아카이브를 다운로드하세요. 프로젝트 소스 파일을 포함하고 있습니다. 위의 임베드에서 소스 파일에 접근하기 위한 다운로드 링크도 사용할 수 있습니다.

RF 섹션을 포함한 고밀도 구성 요소는 Altium Designer®의 완벽한 CAD 유틸리티 세트를 사용하여 배치하고 라우팅하기 쉽습니다. 디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만들어 줍니다.

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