Понимание возвратных путей переменного и постоянного тока в быстродействующих цифро-аналоговых платах

Быстродействующие цифро-аналоговые печатные платы сложны в проектировании. Корректное создание трассировки и цепей земли является ключевым элементом для обеспечения точного аналого-цифрового преобразования. В этой статье мы рассмотрим сложную тему – важность проектирования управляемого пути тока в быстродействующих смешанных (цифро-аналоговых) платах и его влияние на работу платы.

Что мы собираемся изучить?

• Почему контуры токов следуют разными путями (в зависимости от их частотных диапазонов).
• Как спроектировать возвратный ток на этапе размещения компонентов.
• Как разделен аналого-цифровой преобразователь (внутри) и почему существуют выводы AGND и DGND.
• Как предотвратить влияние цифровой логической земли на аналоговую землю.

Понимание того, как ток течет между двумя микросхемами, является очень важным, поскольку, как мы увидим, возвратный путь не всегда очевиден. Проектирование возвратного пути необходимо для избежания ошибок при разделении платы.

Контур тока на низкой частоте

Начнем с анализа контура тока между двумя микросхемами (IC1 и IC2 на рисунке 1). Предположим, что IC1 работает на высоком напряжении (с каскадного выхода), и рассмотрим путь тока на низкой частоте [1,2]. Как видно на рисунке 1, на постоянном токе или на низкой частоте [1,2] большая часть энергии приходит с источника питания, и контур тока проходит, в основном, через источник питания.

Рисунок 1. В этом примере, микросхема IC1 работает на высокой частоте; синим контуром обозначен ожидаемый контур тока при постоянном токе

Контур тока на высокой частоте

Но что произойдет на высокой частоте? [1]

Ситуация изменится, поскольку в процессе быстрого перепада большая часть энергии будет предоставлена развязывающим конденсатором C1 (через экранный слой). Таким образом, новый контур тока будет выглядеть, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Контур тока (на высокой частоте) в процессе перехода от высокого к низкому состоянию; развязывающий конденсатор является источником (и потребителем) тока.

При анализе рисунка 2 можно сделать следующие выводы:

• Контур тока на высокой частоте отличается от контура тока на низкой частоте.
• Положение конденсатора C1 играет ключевую роль для уменьшения контура тока, и, соответственно, излучения.
• Сплошной слой земли должен помочь для управления возвратным током.

Рассмотрим этот же пример более подробно и посмотрим, как положение каждого компонента (IC1, IC2, развязывающие конденсаторы, источник питания) влияют на контур тока.

Как правило, возвратный ток следует пути наименьшего импеданса, что, в первом приближении, означает, что он последует по пути с минимальным сопротивлением на низкой частоте и по пути с минимальной индуктивностью на высокой частоте.

Чтобы узнать больше по этой теме, настоятельно рекомендуется прочитать статью “Resistive vs. Inductive Return Current Paths” [1], в которой автор предлагает интересный метод определения частотного диапазона и на примерах реальных схем показывает, что эффект индуктивности начинает преобладать в диапазоне кГц.

Теперь рассмотрим следующий пример (рисунок 3). Предположим, что у микросхем IC1 и IC2 только один вывод земли (вывод 14) и один вывод питания (вывод 16). Предположим, что микросхема IC1 является управляющей, и посмотрим на путь тока на низкой и на высокой частоте.

Рисунок 3. Микросхема IC1 управляет трассой, выделенной желтым, и мы видим все пути тока.

На рисунке 3 мы видим, что при постоянном токе, ток идет от источника питания через вывод 16 (IC1), затем через трассы между IC1 и IC2 и затем через вывод 14 (IC2) идет обратно к источнику питания через путь минимального сопротивления (кратчайший путь). Рассмотрим, что произойдет на высокой частоте.

Рисунок 4. Путь переменного тока

На рисунке 4 мы видим, что путь переменного тока существенно отличается – на высокой частоте источником питания является развязывающий конденсатор, поскольку на высокой частоте возвратный ток стремится пройти по путь минимальной индуктивности.

Внутренняя структура типового АЦП/ЦАП

Чтобы продолжить рассуждение касательно смешанного проектирования, нам необходимо понять внутреннюю структуру современного АЦП/ЦАП (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Внутренняя конфигурация современного АЦП/ЦАП

Современный АЦП внутри имеет “аналоговую” часть и “цифровую” часть, как обычно разделяются печатные платы. Это позволяет проектировщику микросхем поддерживать необходимую работу, разделяя цифровую землю и аналоговую землю, и поэтому большинство микросхем АЦП/ЦАП имеют выводы AGND и DGND (соответственно аналоговая земля микросхемы и цифровая земля микросхемы). Если мы посмотрим на рисунок 5, мы увидим, что есть небольшая паразитная емкость (Cstray) между цифровой и аналоговой землей (которую, к сожалению, невозможно устранить). Эта емкость может вызвать проблемы работоспособности, если мы не будем осторожны (см. рисунок 6). Представим, что точка DGND очень зашумлена. Мы можем промоделировать это, добавив генератор шумов между идеальной землей и выводом DGND. Из-за паразитной емкости, шум на выводе DGND исказит аналоговую землю, что вызовет искажения работы микросхемы.

Рисунок 6. Воздействие шума вывода DGND

Посмотрев на рисунки 5 и 6, нетрудно понять, что для быстродействующего АЦП/ЦАП необходимо:

1. Минимизировать импеданс между выводами AGND и DGND.
2. Минимизировать шумы на выводе DGND.

Нельзя сформулировать правила, которые бы работали для каждого случая. Тем не менее, для своего проекта я добился этого следующим образом:

1. Я не разделяю слой GND. Вместо этого, я пытаюсь понять возвратный ток (как описано выше).
2. Я рассматриваю АЦП/ЦАП как аналоговый компонент… и подключаю вывод DGND к “аналоговой” части платы.
3. Для АЦП/ЦАП с разрешением выше 12 бит я обычно добавляю цифровой буфер возле АЦП для минимизации шума на выводе DGND.
4. Я уделяю много внимания размещению каждого развязывающего конденсатора (у каждого вывода питания есть по крайней мере один развязывающий конденсатор).

Altium предлагает множество ресурсов для конструкторов плат. Чтобы узнать больше, вы можете прочитать о проектировании системы доставки питания либо поговорить с экспертом Altium.

Рекомендуемая литература:

Archambeault, Bruce, IEEE^® EMC Society Newsletter, Fall 2008, Issue 219, "Part II: Resistive vs. Inductive Return Current Paths"

Howard W Johnson, Martin Graham High-Speed Digital Design, Prentice Hall PTR

Elya B. Joffe, Grounds for Grounding: A Circuit to System Handbook, IEEE

W Kester, J Bryant, M. Myrne, MT-031 Grounding Data Converters and Solving the Mystery of AGND and DGND, Analog Devices