Corrente de Retorno Consciente de DC em PCBs de Sinal Misto

Uma regra comum de design de PCB de alta velocidade é: acompanhe o caminho de retorno da corrente para seus sinais. Isso é na verdade muito mais fácil do que parece, pois o caminho de retorno para um sinal digital rápido ou mesmo um sinal analógico de frequência moderada é confinado abaixo do traço em grande medida. Em frequências muito baixas ou DC, o caminho de retorno poderia tecnicamente existir em qualquer lugar, o que leva a algumas práticas de roteamento alternativas que você pode ver em designs de áudio, designs de interface de sensores de baixa frequência e sistemas puramente DC. O plano de terra apenas fornece um benefício em termos de blindagem EMI, mas não confina o caminho de retorno diretamente abaixo dos traços.

Existem alguns dispositivos que operam em baixas frequências ou DC, e esses dispositivos também completam um circuito e, portanto, têm um caminho de retorno. Então, se você precisa usar um desses dispositivos, e supomos que o valor de SNR para o dispositivo seja baixo, como você pode garantir que o laço do caminho de retorno não crie suscetibilidade ao ruído?

Aqui eu quero mostrar algumas maneiras de trabalhar com esses tipos de componentes, onde um sinal de frequência muito baixa ou um sinal DC precisa ser medido, mas o caminho de retorno precisa ser rastreado para garantir que o laço de corrente seja apertado. Vamos examinar alguns casos específicos abaixo.

Onde está o Caminho de Retorno DC?

Eu e muitos outros mostramos desenhos como o ilustrado abaixo, que pretende mostrar a diferença entre um caminho de retorno AC ao longo de um traço e um caminho de retorno DC para o mesmo traço. Sem entrar mais fundo na física, vou apenas afirmar que é bem conhecido que o caminho de retorno AC é o caminho de menor impedância, enquanto o caminho de retorno DC é o caminho de menor resistência.

Criei este desenho de caminho de retorno em 2019 para ilustrar conceitualmente o que acontece com as correntes DC fluindo em um plano; aprenda mais neste artigo.

Com esse pequeno pedaço de informação de lado, agora vamos pensar em como manter as correntes de retorno DC onde você as quer em situações específicas. Deve ficar claro que o caminho de retorno DC poderia estar em qualquer lugar, incluindo abaixo do traço de entrada (assumindo uma interface de extremidade única). Este fato, bem como a interface do condutor com seus componentes, determina como o caminho de retorno DC pode ser confinado e você pode alcançar baixo ruído em baixas frequências. Para ver como isso funciona com vários componentes analógicos ou sensores, vamos olhar alguns exemplos.

Sensor Com uma Interface Diferencial

Interfaces diferenciais não são construídas apenas para pares diferenciais que transportam sinais de alta velocidade. Interfaces de baixa frequência ou analógicas também podem ser diferenciais. A leitura do sinal de baixa frequência ou DC neste caso funciona da mesma maneira: a tensão do sinal é tomada como a diferença de potencial entre os dois condutores. Exemplos desses componentes incluem:

• Sensor RTD
• Sensores de pressão
• Saída de um amplificador diferencial
• Sensores de posição

Uma ideia semelhante se aplica na síntese, onde um design usa um DAC ou uma fonte DC ajustável para gerar uma voltagem que é então passada por um amplificador/driver com saída diferencial. Em ambos os casos, os fatores que determinam o ruído recebido nesta interconexão DC são os mesmos.

Este é, sem dúvida, o caso mais fácil dos três apresentados neste artigo. A razão para isso é bastante simples: é porque você está roteando um par diferencial, e neste caso o par deve ser roteado sobre o terra. Em DC, este par diferencial confina totalmente a corrente de retorno à porção de polaridade negativa da interface. Não há comutação, portanto, não há corrente de deslocamento em um plano de terra próximo, então não precisamos nos preocupar em rastrear essa parte da corrente de retorno. As regras padrão de roteamento de par diferencial se aplicam aqui com exceção do ajuste de comprimento.

Amplificador diferencial e interface ADC diferencial. Com um sinal DC, cada traço fornece um caminho de retorno complementar para o outro traço. Esta imagem mostra o THS770006 da Texas Instruments, mas outros componentes diferenciais poderiam ser usados em uma interface de sensor DC.

Interface de Sensor de Dois Fios com Terra Comum

Um exemplo recente com o qual trabalhei em um projeto de controle de movimento de precisão envolvia um par de fios transportando formas de onda sinusoidais fora de fase. A frente analógica mede a diferença entre esses dois fios e um sinal de oscilador de referência é usado para extrair a diferença de fase a fim de determinar muito precisamente a posição de um pequeno motor.

Neste caso, você não tem uma interface diferencial verdadeira porque você tem dois fios separados com um terra comum. O terra comum carrega a corrente de retorno enquanto cada um dos fios carrega parte de um sinal. Quando o valor de SNR é baixo, a região de terra com a corrente de retorno deve ser isolada de todas as outras regiões de terra. Uma maneira de fazer isso é ter pequenas descontinuidades de terra ao redor da interface do sensor.

Esta interface de 2 fios oferece uma maneira simples de proporcionar controle de ruído sem exigir um par diferencial verdadeiro.

A outra opção, em alguns casos, é quando você tem grupos de fios CC diferenciais entrando na frente analógica. Na imagem abaixo, estou mostrando entradas de um resolver de motor de um conector D-sub. Os pares diferenciais esquerdo e direito são detectados individualmente, e então a diferença entre eles é usada para determinar a posição do motor. Como o caminho de retorno existe nos fios correspondentes, o recorte de terra não é necessário.

Ao recortar parte do cobre na sua camada de terra, você está controlando onde os correntes de retorno CC podem existir. A restrição aqui é que você não pode rotear na área dividida em qualquer outra camada. Isso criaria problemas com emissões irradiadas se quaisquer trilhas transportando sinais forem roteadas sobre a região de recorte. Uma maneira simples de conseguir isso é definir um bloqueio que se sobreponha em todas as camadas para que nenhum cobre possa ser colocado na região ao redor da sua interface de dois fios.

Interfaces Com Alimentação e Terra Comuns

Neste tipo de interface, a alimentação e terra são compartilhadas entre sua PCB e o dispositivo externo. Existem dois casos aqui:

• O dispositivo externo fornece alimentação e sinal para sua PCB
• Sua PCB fornece alimentação para seu dispositivo externo, e o dispositivo fornece sinal para sua PCB

O primeiro caso é muito mais fácil de lidar, pois o ponto de retorno da alimentação é diretamente para o dispositivo externo. O gerenciamento neste caso é mais fácil quando sinal e alimentação são compartilhados no seu conector, pois isso força o caminho de retorno CC a ser localizado junto com o sinal CC/baixa frequência. A corrente de retorno para o sinal de baixo nível é confinada ao cabo/conector, o que a mantém longe de quaisquer outros sinais que possam induzir diafonia.

O segundo caso é mais comum e mais complicado; o circuito completo abrangerá até o regulador de potência para sua interface CC. Assim, o caminho de retorno pode ser muito imprevisível, e isso pode exigir a colocação da fonte muito mais próxima da interface do sensor. Se você conseguir fazer isso, é possível criar uma região no projeto onde apenas os sinais CC/baixa frequência desejados existam e a região pode ser mantida resiliente contra ruídos.

Essas pequenas placas de sensor ultrassônico recebem alimentação da sua PCB anfitriã e entregam sinal pela mesma interface. Isso pode criar uma oportunidade para o seu sinal receber ruído.

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