Świadomość prądu zwrotnego DC w PCB sygnałów mieszanych

Jedną z powszechnych zasad projektowania PCB wysokiej prędkości jest: śledź ścieżkę powrotną prądu dla swoich sygnałów. W rzeczywistości jest to znacznie łatwiejsze niż brzmi, ponieważ ścieżka powrotna dla szybkiego sygnału cyfrowego czy nawet sygnału analogowego o umiarkowanej częstotliwości jest w znacznym stopniu ograniczona poniżej ścieżki. Przy bardzo niskich częstotliwościach lub w DC, ścieżka powrotna technicznie mogłaby istnieć gdziekolwiek, co prowadzi do niektórych alternatywnych praktyk trasowania, które możesz zobaczyć w projektach audio, projektach interfejsów czujników o niskiej częstotliwości i czystych systemach DC. Płaszczyzna masy zapewnia korzyść tylko pod względem ekranowania EMI, ale nie ogranicza bezpośrednio ścieżki powrotnej poniżej ścieżek.

Istnieją urządzenia, które działają na niskich częstotliwościach lub w DC, i te urządzenia również zamykają obwód, a więc mają ścieżkę powrotną. Więc jeśli musisz użyć jednego z tych urządzeń, i zakładamy, że wartość SNR dla urządzenia jest niska, jak możesz zapewnić, że pętla ścieżki powrotnej nie stworzy podatności na szumy?

Tutaj chcę pokazać kilka sposobów, w jaki sposób możesz pracować z tego typu komponentami, gdzie sygnał o bardzo niskiej częstotliwości lub sygnał DC musi być zmierzony, ale ścieżka powrotna musi być śledzona, aby zapewnić, że pętla prądowa jest ciasna. Przyjrzymy się niektórym konkretnym przypadkom poniżej.

Gdzie jest ścieżka powrotna DC?

Ja i wielu innych pokazaliśmy rysunki, takie jak ten poniżej, które mają na celu pokazanie różnicy między ścieżką powrotną AC wzdłuż ścieżki a ścieżką powrotną DC dla tej samej ścieżki. Nie zagłębiając się głębiej w fizykę, po prostu stwierdzę, że dobrze wiadomo, iż ścieżka powrotna AC to ścieżka o najmniejszej impedancji, podczas gdy ścieżka powrotna DC to ścieżka o najmniejszym oporze.

Ten rysunek ścieżki powrotnej stworzyłem w 2019 roku, aby koncepcyjnie zilustrować, co dzieje się z prądami DC płynącymi w płaszczyźnie; dowiedz się więcej w tym artykule.

Z tą małą informacją za nami, teraz pomyślmy, jak utrzymać prądy powrotne DC tam, gdzie chcesz, w konkretnych sytuacjach. Powinno być jasne, że ścieżka powrotna DC może być gdziekolwiek, w tym poniżej ścieżki wejściowej (zakładając interfejs jednoprzewodowy). Ten fakt, a także interfejs przewodnika do twoich komponentów, określa, jak ścieżka powrotna DC może być ograniczona i możesz osiągnąć niski poziom szumów przy niskich częstotliwościach. Aby zobaczyć, jak to działa z różnymi komponentami analogowymi lub czujnikami, przyjrzyjmy się kilku przykładom.

Czujnik z interfejsem różnicowym

Interfejsy różnicowe nie są zbudowane tylko dla par różnicowych przenoszących sygnały wysokiej prędkości. Interfejsy o niskiej częstotliwości lub analogowe mogą być również różnicowe. Odczyt sygnału o niskiej częstotliwości lub DC działa w ten sam sposób: napięcie sygnału jest brane jako różnica potencjałów między dwoma przewodnikami. Przykłady tych komponentów obejmują:

• Czujnik RTD
• Czujniki ciśnienia
• Wyjście z wzmacniacza różnicowego
• Czujniki położenia

Podobna idea ma zastosowanie w syntezie, gdzie projekt wykorzystuje DAC lub regulowane źródło napięcia stałego do generowania napięcia, które następnie jest przesyłane przez wzmacniacz/sterownik z wyjściem różnicowym. W obu przypadkach czynniki determinujące odbierany na tym połączeniu stałoprądowym szum są takie same.

To jest prawdopodobnie najłatwiejszy z trzech przypadków przedstawionych w tym artykule. Powód jest dość prosty: wynika to z faktu, że prowadzisz parę różnicową, i w tym przypadku para ta powinna być prowadzona nad ziemią. W DC, ta para różnicowa całkowicie ogranicza prąd zwrotny do części o ujemnej polaryzacji interfejsu. Nie ma przełączania, więc nie ma prądu przemieszczenia w pobliskiej płaszczyźnie masy, więc nie musimy martwić się o śledzenie tej części prądu zwrotnego. Standardowe zasady prowadzenia par różnicowych mają tu zastosowanie z wyjątkiem strojenia długości.

Wzmacniacz różnicowy i interfejs ADC różnicowego. Przy sygnale stałoprądowym, każda ścieżka zapewnia komplementarną ścieżkę zwrotną dla drugiej ścieżki. Na obrazie pokazano THS770006 od Texas Instruments, ale inne komponenty różnicowe mogłyby być użyte w interfejsie czujnika DC.

Interfejs czujnika dwuprzewodowego z wspólną masą

Ostatni przykład, nad którym pracowałem w projekcie precyzyjnego sterowania ruchem, dotyczył pary przewodów przesyłających fale sinusoidalne o przeciwnych fazach. Analogowy front-end mierzy różnicę między tymi dwoma przewodami, a sygnał referencyjny oscylatora jest używany do wydobycia różnicy faz w celu bardzo precyzyjnego określenia pozycji małego silnika.

W tym przypadku nie masz prawdziwego interfejsu różnicowego, ponieważ masz dwa oddzielne przewody z wspólną masą. Wspólna masa przenosi prąd zwrotny, podczas gdy każdy z przewodów przenosi część sygnału. Gdy wartość SNR jest niska, obszar masy z prądem zwrotnym powinien być izolowany od wszystkich innych obszarów masy. Jednym ze sposobów na to jest posiadanie małych przerw w masie wokół interfejsu czujnika.

Ten interfejs dwuprzewodowy oferuje prosty sposób na kontrolę szumów bez wymagania prawdziwej pary różnicowej.

Inną opcją w niektórych przypadkach jest, gdy masz grupy różnicowych przewodów DC wchodzących do analogowego front-endu. Na poniższym obrazie pokazuję wejścia z resolvera silnika z złącza D-sub. Lewa i prawa para różnicowa są wykrywane indywidualnie, a następnie różnica między nimi jest używana do określenia pozycji silnika. Ponieważ ścieżka powrotna istnieje w odpowiadających przewodach, wycięcie masy nie jest potrzebne.

Wycinając niektóre obszary miedzi w warstwie masy, kontrolujesz, gdzie mogą istnieć prądy powrotne DC. Ograniczeniem tutaj jest to, że nie możesz prowadzić ścieżek w podzielonym obszarze na żadnej innej warstwie. Spowodowałoby to problemy z emisjami promieniowanymi, jeśli jakiekolwiek ścieżki przewodzące sygnały byłyby prowadzone nad regionem wycięcia. Prostym sposobem na osiągnięcie tego jest zdefiniowanie strefy zakazu, która nakłada się na wszystkie warstwy, tak aby miedź nie mogła być umieszczona w regionie wokół twojego interfejsu dwuprzewodowego.

Interfejsy z wspólnym zasilaniem i masą

W tego typu interfejsie, zasilanie i masa są współdzielone między twoją płytą PCB a urządzeniem zewnętrznym. Występują tutaj dwa przypadki:

• Urządzenie zewnętrzne dostarcza zasilanie i sygnał do twojej płyty PCB
• Twoja płyta PCB dostarcza zasilanie do urządzenia zewnętrznego, a urządzenie dostarcza sygnał do twojej płyty PCB

Pierwszy przypadek jest znacznie łatwiejszy do obsługi, ponieważ punkt powrotu zasilania jest bezpośrednio do urządzenia zewnętrznego. Zarządzanie w tym przypadku jest najłatwiejsze, gdy sygnał i zasilanie są współdzielone na twoim złączu, co wymusza współlokalizację ścieżki powrotnej DC z sygnałem DC/niskiej częstotliwości. Prąd powrotny dla sygnału niskiego poziomu jest ograniczony do kabla/złącza, co utrzymuje go z dala od innych sygnałów, które mogłyby indukować przesłuch.

Drugi przypadek jest bardziej powszechny i bardziej skomplikowany; pełna pętla obwodu rozciąga się aż do regulatora mocy dla twojego interfejsu DC. Dlatego ścieżka powrotna może być bardzo nieprzewidywalna, co może wymagać umieszczenia zasilania znacznie bliżej interfejsu czujnika. Jeśli można to zrobić, jest możliwe stworzenie regionu w projekcie, gdzie istnieją tylko pożądane sygnały DC/niskiej częstotliwości i region ten może być odporny na zakłócenia.

Te małe płytki czujników ultradźwiękowych pobierają zasilanie z twojej płyty głównej i dostarczają sygnał przez ten sam interfejs. Może to stworzyć możliwość odbioru zakłóceń przez twój sygnał.

Niezależnie od tego, czy potrzebujesz zbudować niezawodne elektroniki mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby zaimplementować współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Rozpocznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.