Dòng Điện Trở Lại Nhận Biết DC trong PCB Tín Hiệu Hỗn Hợp

Một quy tắc thiết kế PCB tốc độ cao phổ biến là: theo dõi đường dẫn dòng điện trở về cho tín hiệu của bạn. Thực ra, điều này dễ dàng hơn nhiều so với vẻ ngoài của nó, vì đường dẫn trở về cho một tín hiệu số tốc độ cao hoặc thậm chí là một tín hiệu tương tự tần số vừa phải được giới hạn phía dưới dấu vết một cách đáng kể. Ở tần số rất thấp hoặc DC, đường dẫn trở về có thể tồn tại ở bất cứ đâu, dẫn đến một số phương pháp định tuyến thay thế bạn có thể thấy trong các thiết kế âm thanh, thiết kế giao diện cảm biến tần số thấp, và hệ thống DC thuần túy. Mặt đất chỉ cung cấp lợi ích về việc chắn EMI, nhưng nó không giới hạn đường dẫn trở về ngay dưới các dấu vết.

Có một số thiết bị hoạt động ở tần số thấp hoặc DC, và những thiết bị này cũng hoàn thành một mạch và do đó có đường dẫn trở về. Vậy nếu bạn cần sử dụng một trong những thiết bị này, và chúng ta giả sử rằng giá trị SNR cho thiết bị là thấp, làm thế nào bạn có thể đảm bảo rằng vòng đường dẫn trở về không tạo ra sự nhạy cảm với nhiễu?

Ở đây tôi muốn chỉ ra một số cách bạn có thể làm việc với những loại linh kiện này, nơi một tín hiệu tần số rất thấp hoặc một tín hiệu DC cần được đo lường, nhưng đường dẫn trở về cần được theo dõi để đảm bảo vòng dòng điện chặt chẽ. Chúng ta sẽ xem xét một số trường hợp cụ thể dưới đây.

Đường dẫn trở về DC ở đâu?

Tôi và nhiều người khác đã chỉ ra các bản vẽ như bản vẽ dưới đây, nhằm mục đích chỉ ra sự khác biệt giữa đường dẫn trở về AC dọc theo một dấu vết và đường dẫn trở về DC cho cùng một dấu vết. Không đi sâu vào vật lý, tôi chỉ muốn nói rằng nó được biết đến rộng rãi rằng đường dẫn trở về AC là đường có trở kháng thấp nhất, trong khi đường dẫn trở về DC là đường có điện trở thấp nhất.

Tôi đã tạo bản vẽ đường dẫn trở về này vào năm 2019 để minh họa khái niệm về điều gì xảy ra với dòng điện DC chảy trong một mặt phẳng; tìm hiểu thêm trong bài viết này.

Với chút thông tin nhỏ này ra khỏi đường, bây giờ hãy nghĩ về cách để duy trì dòng điện trở về DC ở nơi bạn muốn trong các tình huống cụ thể. Nó nên rõ ràng rằng đường dẫn trở về DC có thể ở bất cứ đâu bao gồm cả phía dưới dấu vết đầu vào (giả sử một giao diện đơn cuối). Sự thật này, cũng như giao diện dẫn của bạn với các linh kiện, xác định cách đường dẫn trở về DC có thể được giới hạn và bạn có thể đạt được độ ồn thấp ở tần số thấp. Để xem điều này hoạt động như thế nào với các linh kiện tương tự hoặc cảm biến, hãy xem một số ví dụ.

Cảm biến Với Giao diện Chênh lệch

Giao diện chênh lệch không chỉ được xây dựng cho các cặp chênh lệch mang tín hiệu tốc độ cao. Giao diện tần số thấp hoặc tương tự cũng có thể là chênh lệch. Việc đọc tín hiệu tần số thấp hoặc DC trong trường hợp này hoạt động theo cùng một cách: điện áp của tín hiệu được lấy là sự chênh lệch tiềm năng giữa hai dẫn. Ví dụ về những linh kiện này bao gồm:

• Cảm biến RTD
• Cảm biến áp suất
• Tín hiệu đầu ra từ một bộ khuếch đại vi sai
• Cảm biến vị trí

Một ý tưởng tương tự được áp dụng trong tổng hợp, nơi một thiết kế sử dụng DAC hoặc nguồn DC có thể điều chỉnh để tạo ra một điện áp, sau đó điện áp này được truyền qua một bộ khuếch đại/trình điều khiển với đầu ra vi sai. Trong cả hai trường hợp, các yếu tố quyết định nhiễu nhận được trên kết nối DC này là như nhau.

Đây có lẽ là trường hợp dễ dàng nhất trong ba trường hợp được trình bày trong bài viết này. Lý do cho điều này khá đơn giản: đó là vì bạn đang định tuyến một cặp vi sai, và trong trường hợp này, cặp nên được định tuyến trên mặt đất. Trong DC, cặp vi sai này hoàn toàn giới hạn dòng điện trở lại vào phần cực âm của giao diện. Không có sự chuyển mạch, do đó không có dòng điện dịch chuyển trong một mặt đất gần đó, vì vậy chúng ta không cần phải lo lắng về việc theo dõi phần dòng điện trở lại đó. Các quy tắc định tuyến cặp vi sai tiêu chuẩn được áp dụng ở đây với ngoại lệ là điều chỉnh chiều dài.

Bộ khuếch đại vi sai và giao diện ADC vi sai. Với tín hiệu DC, mỗi đường dẫn cung cấp một đường dẫn trở lại bổ sung cho đường dẫn kia. Hình ảnh này cho thấy THS770006 từ Texas Instruments, nhưng các thành phần vi sai khác có thể được sử dụng trong giao diện cảm biến DC.

Giao diện cảm biến hai dây với mặt đất chung

Một ví dụ gần đây tôi làm việc trong một dự án kiểm soát chuyển động chính xác liên quan đến một cặp dây mang sóng hình sin lệch pha. Mặt trước tương tự đo sự khác biệt giữa hai dây này và một tín hiệu dao động tham chiếu được sử dụng để trích xuất sự khác biệt pha nhằm xác định rất chính xác vị trí của một động cơ nhỏ.

Trong trường hợp này, bạn không có một giao diện vi sai thực sự vì bạn có hai dây riêng biệt với một mặt đất chung. Mặt đất chung mang dòng điện trở lại trong khi mỗi dây mang một phần của tín hiệu. Khi giá trị SNR thấp, khu vực mặt đất với dòng điện trở lại nên được cô lập khỏi tất cả các khu vực mặt đất khác. Một cách để làm điều này là có những khoảng cách mặt đất nhỏ xung quanh giao diện cảm biến.

Giao diện 2 dây cung cấp một cách đơn giản để kiểm soát nhiễu mà không cần một cặp vi sai thực sự.

Một lựa chọn khác trong một số trường hợp là khi bạn có các nhóm dây DC vi sai đến phần đầu vào tương tự. Trong hình dưới đây, tôi đang hiển thị các đầu vào từ một bộ giải mã động cơ từ một kết nối D-sub. Các cặp vi sai bên trái và bên phải được phát hiện riêng lẻ, và sau đó sự khác biệt giữa chúng được sử dụng để xác định vị trí động cơ. Bởi vì đường trở lại tồn tại trong các dây tương ứng, không cần thiết phải cắt lớp đất.

Bằng cách cắt bớt một số lớp đồng trong lớp đất của bạn, bạn đang kiểm soát nơi dòng điện trở lại DC có thể tồn tại. Ràng buộc ở đây là bạn không thể đặt đường mạch trong khu vực bị chia cắt trên bất kỳ lớp nào khác. Điều này sẽ tạo ra vấn đề với phát xạ bức xạ nếu bất kỳ đường dẫn nào chứa tín hiệu được đặt trên khu vực cắt. Một cách đơn giản để thực hiện điều này là định nghĩa một khu vực cấm chồng lên tất cả các lớp sao cho không có đồng nào được đặt trong khu vực xung quanh giao diện hai dây của bạn.

Giao diện Với Nguồn và Đất Chung

Trong loại giao diện này, nguồn và đất được chia sẻ giữa PCB của bạn và thiết bị ngoại vi. Có hai trường hợp ở đây:

• Thiết bị ngoại vi cung cấp nguồn và tín hiệu cho PCB của bạn
• PCB của bạn cung cấp nguồn cho thiết bị ngoại vi, và thiết bị cung cấp tín hiệu cho PCB của bạn

Trường hợp đầu tiên dễ xử lý hơn vì điểm trở lại nguồn trực tiếp đến thiết bị ngoại vi. Việc quản lý trong trường hợp này dễ dàng nhất khi tín hiệu và nguồn được chia sẻ trên kết nối của bạn vì điều này buộc dòng điện trở lại DC phải nằm cùng vị trí với tín hiệu DC/tần số thấp. Dòng trở lại cho tín hiệu cấp thấp được giới hạn trong cáp/kết nối, giữ nó tránh xa bất kỳ tín hiệu nào khác có thể gây ra nhiễu chéo.

Trường hợp thứ hai phổ biến hơn và phức tạp hơn; vòng mạch hoàn chỉnh sẽ kéo dài đến bộ điều chỉnh nguồn cho giao diện DC của bạn. Vì vậy, đường trở lại có thể rất khó đoán, và điều này có thể đòi hỏi đặt nguồn cung cấp gần hơn với giao diện cảm biến. Nếu bạn có thể làm điều này, có thể tạo ra một khu vực trong thiết kế nơi chỉ có tín hiệu DC/tần số thấp mong muốn tồn tại và khu vực có thể được giữ vững chắc chống lại nhiễu.

Các bảng cảm biến siêu âm nhỏ lấy nguồn từ PCB chủ của bạn và truyền tín hiệu qua cùng một giao diện. Điều này có thể tạo ra cơ hội cho tín hiệu của bạn nhận nhiễu.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.