Осознание постоянного тока возвратного тока в смешанных сигнальных печатных платах

Одно из общих правил проектирования высокоскоростных печатных плат заключается в следующем: следите за путем возврата тока для ваших сигналов. На самом деле это гораздо проще, чем кажется, поскольку путь возврата для быстрого цифрового сигнала или даже сигнала аналоговой модерации в значительной степени ограничен под дорожкой. На очень низких частотах или постоянном токе путь возврата теоретически может находиться где угодно, что приводит к некоторым альтернативным методам трассировки, которые вы можете видеть в аудио дизайнах, дизайнах интерфейсов датчиков низкой частоты и системах чистого постоянного тока. Земляная плоскость обеспечивает преимущество только в плане экранирования от ЭМИ, но она не ограничивает путь возврата непосредственно под дорожками.

Существуют устройства, работающие на низких частотах или постоянном токе, и эти устройства также замыкают цепь и, следовательно, имеют путь возврата. Так что, если вам нужно использовать одно из этих устройств, и мы предполагаем, что значение SNR для устройства низкое, как вы можете гарантировать, что петля пути возврата не создаст восприимчивость к шумам?

Здесь я хочу показать некоторые способы работы с этими типами компонентов, где необходимо измерить сигнал очень низкой частоты или сигнал постоянного тока, но необходимо отслеживать путь возврата, чтобы гарантировать плотность токовой петли. Мы рассмотрим некоторые конкретные случаи ниже.

Где находится путь возврата постоянного тока?

Я и многие другие показывали рисунки, подобные приведенному ниже, которые предназначены для демонстрации разницы между путем возврата переменного тока вдоль дорожки и путем возврата постоянного тока для той же дорожки. Не углубляясь в физику, я просто скажу, что хорошо известно, что путь возврата переменного тока - это путь наименьшего импеданса, в то время как путь возврата постоянного тока - это путь наименьшего сопротивления.

Я создал этот рисунок пути возврата в 2019 году, чтобы концептуально проиллюстрировать, что происходит с токами постоянного тока, протекающими в плоскости; узнайте больше в этой статье.

Теперь, когда мы уяснили этот небольшой момент, давайте подумаем о том, как поддерживать токи возврата постоянного тока там, где вы хотите, в конкретных ситуациях. Должно быть ясно, что путь возврата постоянного тока может быть где угодно, включая под входной дорожкой (при условии однополярного интерфейса). Этот факт, а также интерфейс проводника с вашими компонентами, определяет, как можно ограничить путь возврата постоянного тока и достичь низкого уровня шума на низких частотах. Чтобы увидеть, как это работает с различными аналоговыми компонентами или датчиками, давайте рассмотрим некоторые примеры.

Датчик с дифференциальным интерфейсом

Дифференциальные интерфейсы не только созданы для дифференциальных пар, передающих высокоскоростные сигналы. Интерфейсы низкой частоты или аналоговые интерфейсы также могут быть дифференциальными. Считывание сигнала низкой частоты или постоянного тока в этом случае работает таким же образом: напряжение сигнала берется как разность потенциалов между двумя проводниками. Примеры этих компонентов включают:

• Датчик RTD
• Датчики давления
• Выход с дифференциального усилителя
• Датчики положения

Подобная идея применима и в синтезе, где в дизайне используется ЦАП или настраиваемый источник постоянного тока для генерации напряжения, которое затем проходит через усилитель/драйвер с дифференциальным выходом. В любом случае, факторы, определяющие уровень помех, получаемых на этом соединении постоянного тока, одинаковы.

Это, пожалуй, самый простой из трех случаев, представленных в этой статье. Причина этого довольно проста: дело в том, что вы прокладываете дифференциальную пару, и в данном случае пара должна быть проложена над землей. В постоянном токе эта дифференциальная пара полностью ограничивает возвратный ток отрицательной полярностью интерфейса. Переключения нет, следовательно, нет смещения тока в близлежащей плоскости земли, так что нам не нужно беспокоиться о отслеживании этой части возвратного тока. Здесь применяются стандартные правила прокладки дифференциальных пар, за исключением настройки длины.

Дифференциальный усилитель и интерфейс дифференциального АЦП. С постоянным сигналом каждый след обеспечивает дополнительный путь возврата для другого следа. На этом изображении показан THS770006 от Texas Instruments, но в интерфейсе датчика постоянного тока могут использоваться и другие дифференциальные компоненты.

Двухпроводной интерфейс датчика с общей землей

Один из недавних примеров, над которым я работал в проекте точного управления движением, включал в себя пару проводов, передающих синусоидальные волны, находящиеся в противофазе. Аналоговый фронтенд измеряет разницу между этими двумя проводами и сигналом опорного генератора используется для извлечения разности фаз с целью очень точного определения положения небольшого мотора.

В этом случае у вас нет истинного дифференциального интерфейса, поскольку у вас два отдельных провода с общей землей. Общая земля несет возвратный ток, в то время как каждый из проводов передает часть сигнала. Когда значение С/Ш низкое, область земли с возвратным током должна быть изолирована от всех других областей земли. Один из способов сделать это - иметь небольшие разрывы земли вокруг интерфейса датчика.

Этот 2-проводной интерфейс предлагает простой способ контроля шума без необходимости использования истинной дифференциальной пары.

Другой вариант в некоторых случаях - это когда у вас есть группы дифференциальных постоянных токов, подходящих к аналоговому входному интерфейсу. На изображении ниже я показываю входы от резольвера двигателя через D-Sub разъем. Левая и правая дифференциальные пары обнаруживаются индивидуально, а затем разница между ними используется для определения положения двигателя. Поскольку обратный путь существует в соответствующих проводах, вырез заземления не требуется.

Удаляя часть медного покрытия на вашем земляном слое, вы контролируете, где могут существовать постоянные возвратные токи. Ограничение здесь в том, что вы не можете прокладывать маршруты в разделенной области на любом другом слое. Это создало бы проблемы с излучаемыми помехами, если бы любые дорожки, по которым проходят сигналы, были проложены над областью выреза. Простой способ добиться этого - определить зону запрета, которая перекрывается на всех слоях, так что в области вокруг вашего двухпроводного интерфейса не может быть размещена медь.

Интерфейсы с общим питанием и землей

В этом типе интерфейса питание и земля разделяются между вашей печатной платой и внешним устройством. Здесь есть два случая:

• Внешнее устройство подает питание и сигнал на вашу печатную плату
• Ваша печатная плата подает питание на внешнее устройство, а устройство подает сигнал на вашу печатную плату

Первый случай гораздо проще, так как точка возврата питания напрямую подключена к внешнему устройству. Управление в этом случае проще всего, когда сигнал и питание разделяются на вашем разъеме, так как это заставляет постоянный возвратный путь располагаться вместе с постоянным/низкочастотным сигналом. Возвратный ток для низкоуровневого сигнала ограничивается кабелем/разъемом, что предотвращает его взаимодействие с любыми другими сигналами, которые могут вызвать перекрестные помехи.

Второй случай более распространен и сложнее; полный цикл схемы будет охватывать до регулятора питания для вашего интерфейса постоянного тока. Таким образом, путь возврата может быть очень непредсказуемым, и это может потребовать размещения источника питания максимально близко к интерфейсу датчика. Если это возможно, можно создать область в дизайне, где существуют только желаемые постоянные/низкочастотные сигналы, и область может быть защищена от помех.

Эти маленькие ультразвуковые датчики получают питание от вашей основной печатной платы и передают сигнал через тот же интерфейс. Это может создать возможность для вашего сигнала получить помехи.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.