ADC를 올바르게 접지하는 방법

ADC는 샘플링 속도와 해상도 값이 증가함에 따라 작업하기가 더 어려워지는 까다로운 구성 요소입니다. ADC의 해상도와 샘플링 속도는 정확한 신호 재구성에서 도전을 만들어내지만, PCB 레이아웃에서 접지의 정의가 ADC 성능에 크게 영향을 미치는 한 영역이 있습니다.

ADC 핀아웃이 작성되는 방식과 일부 오래된 응용 노트에서 ADC 사용을 설명하는 방식은 잘못된 레이아웃과 라우팅을 생성할 수 있으며, 그 결과 ADC 입력에 노이즈가 결합됩니다. 그 결과 입력 신호의 의사랜덤 변동으로 인해 신호 재구성이 잘못됩니다. 스택업, 접지의 물리적 분리 또는 둘 다로 인해 PCB 레이아웃이 ADC의 올바른 접지를 허용하지 않을 때 강한 EMI도 발생할 수 있습니다.

이 글에서는 ADC 핀에 대한 일부 맥락을 제공하고 접지 측면에서 그것들이 의미하는 바를 설명할 것입니다. 이 분야의 EMC 전문가들은 동의할 것입니다: 대부분의 혼합 신호 시스템과 대부분의 ADC에서는 물리적으로 분리된 접지가 아닌 균일한 접지 평면을 사용하는 것이 가장 좋은 접근 방식입니다.

나쁜 핀 이름이 나쁜 ADC 접지로 이어집니다

ADC에 대해 많은 잘못된 접지 지침이 구현되는 상태에 이르게 되는 과정을 보려면, ADC의 전형적인 핀배열을 살펴보는 것이 도움이 됩니다. ADC에 대한 데이터시트를 한 번도 읽어본 적이 없는 새로운 설계자라면, 서로 다른 반도체 벤더들로부터 모순되는 지침을 발견하게 될 수도 있어 놀랄 수 있습니다.

예를 들어보려면, 텍사스 인스트루먼트의 ADS1274/1278을 살펴보십시오. 이 부품의 핀배열에서는 AGND와 DGND로 라벨이 붙은 두 개의 별도 핀이 부품의 반대편에 위치해 있습니다.

두 가지 다른 이름의 여러 GND 핀이 존재하며, 두 가지 다른 유형의 신호(아날로그와 디지털)를 참조하는 것은 ADC를 분리된 접지 전위로 연결해야 하며 분리해야 한다는 혼란을 초래합니다. 때때로 보게 되는 다른 지침은 단일 지점에서만 연결해야 한다는 것입니다.

이 그림 아래에 있는 데이터시트의 6페이지를 보면, AGND에 대한 다음과 같은 핀 설명을 볼 수 있습니다.

AGND: 단일 평면을 사용하여 DGND에 연결

데이터시트 후반부에서 TI는 두 접지를 직접 연결한 응용 예를 제공합니다. 넷 타이도 없고, 단일 지점 접지도 없이, ADC를 접지하기 위한 단일 균일 평면만 있습니다.

초보 설계자에게 더 혼란을 줄 수 있는 것은 다른 ADC들이 단일 접지 핀만을 사용한다는 사실입니다. 텍사스 인스트루먼트의 또 다른 예는 ADS7138입니다. 이것은 더 작은 ADC이며 GND를 위한 단일 핀만을 가지고 있습니다. 핀배열은 아래와 같이 표시됩니다:

아날로그와 디지털 접지가 완전히 분리되어야 한다는 생각으로 이 구성요소에 접근한다면, 데이터시트의 4페이지에서 이 지침을 발견하고 놀랄 수 있습니다:

GND: 전원 공급을 위한 접지; 모든 아날로그 및 디지털 신호는 이 핀 전압을 기준으로 합니다

"이 핀 전압을 기준으로 한다"는 문장을 볼 때, 아날로그 공급과 디지털 공급이 이 같은 지점을 그들의 측정 기준으로 사용한다는 것을 알려주고 있습니다.

다른 반도체 벤더들은 항상 같은 정확한 조언을 제공하지 않습니다. 대신, 설계에 대해 두 가지 가능한 방향 중 하나를 추천할 것입니다:

1. AGND 핀과 DGND 핀은 오직 한 지점에서만 연결하세요
2. 서로 연결되지 않는 별도의 AGND 및 DGND 네트를 사용하세요

#2는 기본적으로 무의미한 지점입니다; 단절된 ADC(아래 참조)를 사용하지 않는 한, 이 핀들 사이에는 어차피 내부 연결이 있기 때문에, ADC 내부의 이 연결로 인해 실제로 접지 영역을 분리할 수 없습니다.

#1은 적어도 균일한 접지 전위를 설정하기 때문에 괜찮을 수 있지만, 흔히 잘못 구현됩니다. 이 경우, 두 평면 영역 사이의 간격을 넘어서 라우팅할 수 없으므로 레이아웃 및 라우팅의 자유를 제한합니다. #2는 기본적으로 #1과 같으며, 아날로그 또는 디지털 섹션 사이의 격리가 필요한 특정 사례를 제외하고는 같은 이유로 나쁜 방향입니다(아래 참조).

얇은 유전체 위의 플로어플래닝은 노이즈 커플링을 방지합니다

디지털 부분과 함께 작동하며 균일한 접지가 필요한 인터페이스 보드의 경우, 얇은 외부 유전체와 L2/L3에 접지면을 갖춘 4층 스택업으로 시작하는 것이 좋습니다. 이는 인접한 접지면에서 디지털 신호의 강한 결합을 위한 반환 경로를 제공하며, 이는 스위칭 노이즈가 디자인의 아날로그 측면으로 다시 결합되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

그러면 ADC의 아날로그 급전선에 노이즈가 결합되는 것을 방지하기 위해 물리적으로 분리된 접지면을 사용하는 문제가 없습니다. 대신, 구성 요소의 배치에 집중하십시오. 이는 다른 회로 간의 노이즈 결합을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이는 위에 표시된 ADS1274/1278의 예시 핀아웃이 중요해지는 지점입니다. 그들은 본질적으로 구성 요소의 다른 영역에 핀을 위치시켜 아날로그 및 디지털 인터페이스로의 라우팅에 대한 몇 가지 모범 사례를 쉽게 구현할 수 있도록 했습니다.

구성 요소에서 반대 방향으로 라우팅함으로써, 디지털 및 아날로그 보드 섹션 사이에 충분한 공간을 두고 있습니다. 이는 혼합 신호 크로스토크를 방지하는 최선의 방법입니다.

이제 ADS7138(아래 참조)을 살펴보겠습니다. 이 구성 요소는 I2C 인터페이스를 가지고 있으며, 데이터 핀(SDA)이 아날로그 입력 중 하나 바로 옆을 지나가는 것을 알 수 있습니다. 이 구성 요소와 가능한 최소한의 결합을 보장하기 위해, 두 신호를 보드 안에서 반대 대각선 방향으로 라우팅할 것입니다. 또한 SDA 핀 옆에 있는 입력을 사용하기 전에 다른 모든 아날로그 입력을 사용할 것입니다.

페라이트를 사용하여 전원 레일을 연결하고 접지를 분리하지 마십시오

때때로 아날로그와 디지털 전원 입력 핀 사이의 전원 공급 연결과 함께 나쁜 접지 권장 사항이 제시되기도 합니다. Maxim Integrated의 MAX11900 예가 아래에 나와 있습니다.

이것은 아마도 내가 본 최악의 ADC 관련 전원 및 접지 권장 사항일 것이며, 그럼에도 불구하고 일부 반도체 벤더들은 이러한 조언을 담은 15년 된 응용 노트를 그들의 웹사이트에 가지고 있습니다. 실제로, 한 회사가 위에 보여진 잘못된 유형의 권장 사항을 추천한 다음, 동일한 구성 요소에 대한 데이터시트에서 페라이트 없이 올바른 연결을 추천하고 단일 접지면을 사용하는 것을 권장하는 것을 보았습니다.

이 유형의 권장 사항에서 아이디어는 아날로그 레일(참조를 위한 별도의 핀을 가정)을 디지털 레일로부터 분리하는 것입니다. 아이디어는 디지털 레일에 다양한 구성 요소가 포함될 수 있는 잡음을 아날로그 레일로부터 격리하여, 빠른 스위칭 인터페이스(예: SPI)로 인해 디지털 레일에 리플이 생성될 경우를 방지하는 것입니다.

동일한 전압의 디지털 레일로부터 대형 IC의 아날로그 레일을 분리하는 것과 같은 유형의 권장 사항을 볼 수 있습니다(예: FPGA나 프로세서의 PLL 참조 핀). 고속으로 스위칭해야 하는 PLL과 같은 경우, 예상되는 잡음 대역폭 내에서 아날로그 핀에 결합된 잡음을 정말로 이해하기 위해 시뮬레이션하는 것이 좋습니다.

1. 분리된 아날로그 측면과 분리된 ADC(아래 참조)를 원한다면, 아날로그 레일을 물리적으로 분리하기만 하면 됩니다. 두 회로를 물리적으로 분리하는 것보다 수많은 GHz 주파수까지 더 높은 임피던스를 얻을 수 있는 방법은 거의 없습니다!
2. 이 권장 사항에서 암시하는 정밀도 수준이 필요하다면, ADC 신호 입력에 대한 전하 보상 회로와 자체 저역 통과 필터가 있는 전용 정밀 참조/전원을 사용해야 합니다.

“덜 나쁜” 및 “더 좋은” 권장 사항은 PLL 레일용 아날로그 공급 입력이 있는 대형 프로세서에서 사용할 것과 동일한 전략입니다. 페라이트를 유지해야 한다고 제안하는 오래된 발표를 본 적이 있지만, 이 블로그의 다른 기사에서는 모순되는 증거를 보여줍니다. “더 좋은” 권장 사항은 디지털 섹션이 아날로그 레퍼런스 값을 설정하기 위해 단계를 낮추는 비율 참조와 함께 사용될 수 있습니다.

격리된 시스템에서의 ADC?

이러한 유형의 시스템에서는 물리적으로 분리된 평면과 별도의 전원 공급 장치를 사용하여 시스템의 다른 모든 것으로부터 대부분의 아날로그 신호 경로를 완전히 격리하는 것이 전체적인 목표입니다. 정밀 레퍼런싱을 사용합니다. 그러나 이는 아날로그 입력을 격리 간격을 통해 아날로그 인터페이스로 결합하려고 시도하는 것이며, 이는 결합을 어렵게 만드는 낮은 수준에서만 작동합니다.

여기서 두 가지 옵션이 있습니다:

• 아날로그 측과 디지털 측을 완전히 분리하는 격리된 ADC를 사용하고, 접지 핀을 연결하지 않습니다
• 격리 간격을 통해 샘플링된 신호를 전달하기 위해 옵토커플러나 변압기를 사용합니다

이더넷에서 변압기 블록과 종단 회로에 이 방법의 변형이 사용됩니다; 이 기사에서 회로도를 살펴보고 제가 언급한 격리된 영역을 찾아보세요.

ADC가 있는 소형 혼합 신호 보드를 설계한 경우가 한 번 있습니다: 매우 낮은 SNR 전압 측정이 나노암페어 전류 수준에서 저주파로 진행됩니다. 이 시스템에서 저수준의 노이즈가 매우 문제가 되었고, 소스, 측정, 수집을 위한 별도의 장비를 가지고 있었기 때문에 접지 루프 문제가 있었습니다. 우리는 장치의 동적 범위 대부분을 차지하도록 신호를 샘플링하기 전에 증폭시켰고, 출력 직렬 데이터는 컴퓨터에서 수집하기 위해 DAQ 카드에 제공되었습니다.

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