Az alapvető irányelvek a vegyes jelű nyomtatott áramköri lapok elrendezésének tervezéséhez

A cikk részletezi, hogy mit kell figyelembe venni a vegyes/kevert jelű nyomtatott áramköri lapok tervezésekor. Kitér az alkatrészek elhelyezésére, az áramköri lapok rétegezésére és a földelési megfontolásokra. A tárgyalt irányelvek gyakorlati megközelítést nyújtanak a vegyes jelű áramköri lapok elrendezésének tervezéséhez, és mindenféle háttérrel rendelkező mérnöknek segítséget nyújtanak.

A vegyes jelű nyomtatott áramkörök tervezése megköveteli az analóg és digitális áramkörök alapvető ismeretét a jelinterferencia minimalizálása, vagy akár megakadályozása érdekében. A modern rendszerek olyan alkatrészekből állnak, amelyek mind digitális, mind analóg tartományban képesek működni – ehhez gondosan kell megtervezni ezeket, hogy a jelintegritás az egész rendszerben biztosított legyen.
A nyomtatott áramköri elrendezés – mint a vegyes jelek fejlesztési folyamatának fontos része – ijesztő lehet, és az alkatrészek elhelyezése csak a kezdet. Vannak más tényezők is, amelyeket figyelembe kell venni, beleértve a NyÁK-laprétegeket és azt, hogy hogyan kell ezeket megfelelően kezelni, hogy minimalizálni lehessen a parazitakondenzátorok által okozott interferenciákat, amelyek véletlenül létrejöhetnek a NyÁK-síkok rétegei között.
A földelés szintén szerves részt képező folyamat a vegyes jelű rendszerek PCB elrendezésének tervezésében, bár gyakran vitatott téma az iparágban, ugyanis a szabványosított megközelítés kialakítása nem tekinthető bármely mérnök számára a legegyszerűbb feladatnak. Például a minőségi földeléssel kapcsolatos egyetlen probléma is befolyásolhatja egy nagy teljesítményű vegyes jelű NyÁK-tervezés teljes elrendezését. Éppen ezért ezt a területet nem szabad figyelmen kívül hagyni.

Alkatrészek elhelyezése

Hasonlóan a házépítéshez, az áramköri alkatrészek elhelyezése előtt elengedhetetlen a rendszer alaprajzának elkészítése. Ez a lépés meghatározza a rendszertervezés általános integritását, és segít elkerülni a zajos jelinterferenciát.
Az alaprajz kialakításakor célszerű követni a kapcsolási rajz jelútját, különösen a nagy sebességű áramkörök esetében. Az alkatrészek elhelyezése szintén kritikus szempont a tervezés során. A tervezőnek képesnek kell lennie a fontos funkcionális blokkok, jelek és a blokkok közötti kapcsolat azonosítására annak érdekében, hogy meghatározhassa az egyes alkatrészek legmegfelelőbb helyét a rendszerben. A csatlakozókat például jobb a lap szélein elhelyezni, amíg a kiegészítő alkatrészeket, például a leválasztó kondenzátorok és a kristályok helyét a lehető legközelebb kell kialakítani a vegyes jelű eszközhöz.

Analóg és digitális blokkok felosztása

Az analóg és digitális jelek közös visszatérési útvonalának minimalizálása érdekében megfontolandó az analóg és digitális blokkok szétválasztása oly módon, hogy az analóg jelek ne keveredjenek a digitális jelekkel.

1. ábra Az analóg és digitális áramkörök felosztása

Az 1. ábra jó példa az analóg és digitális áramkörök szétválasztására. Néhány megfontolás az analóg és digitális szakaszok szétválasztásakor:

• Az érzékeny analóg alkatrészeket, például az erősítőket és a feszültségreferenciákat ajánlott az analóg síkban elhelyezni. Hasonlóképpen, a zajos digitális komponenseket, például a logikai vezérléseket és az időzítő blokkokat a másik oldalra/digitális síkra kell építeni.
• Ha egy rendszer tartalmaz egy vegyes jelű analóg-digitális átalakítót (ADC) vagy egy alacsony digitális áramerősségű digitális-analóg átalakítót (DAC), akkor ez hasonlóan kezelhető, mint az analóg síkban elhelyezett analóg alkatrészek.
• Az egynél több nagy áramerősségű ADC-t és DAC-ot tartalmazó tervezéseknél ajánlott az analóg és a digitális tápellátás szétválasztása. Azaz az AV_CC-t az analóg részhez kell kötni, míg a DV_DD-t a digitális részhez kell csatlakoztatni.
• A mikroprocesszorok és mikrokontrollerek helyet foglalhatnak és hőt termelnek. Ezeket az alkatrészeket a jobb hőelvezetés érdekében a lap közepén kell elhelyezni, ugyanakkor közel a hozzájuk tartozó áramköri blokkokhoz.

Tápegységblokk

A tápegység az áramkör fontos része, és ennek megfelelően kell kezelni. Ökölszabályként a tápegységblokkot el kell szigetelni az áramkör többi részétől, ugyanakkor közel kell maradnia a táplálandó alkatrészekhez.
A több tápcsatlakozóval rendelkező eszközöket tartalmazó összetett rendszerek külön tápegységblokkokat használhatnak az analóg és a digitális részek számára, hogy elkerüljék a zajos digitális interferenciát.
Másrészt a tápellátás útvonalvezetésének rövidnek és közvetlennek célszerű lennie, és széles nyomvonalakat kell használnia az induktivitás csökkentése és az áramkorlátozás elkerülése érdekében.

Leválasztási technikák

A tápelnyomási tényező (PSRR) az egyike a fontos paramétereknek, amelyet a tervezőnek figyelembe kell vennie a rendszer célteljesítményének eléréséhez. A PSRR az eszköz érzékenységének mérőszáma a tápellátás változásaival szemben, ami végső soron az adott eszköz teljesítményét határozza meg.
Az optimális PSRR fenntartásához meg kell akadályozni, hogy a nagyfrekvenciás energia bejusson az eszközbe. Ez az eszköz tápellátásának az alacsony impedanciájú alapsíkhoz való megfelelő leválasztásával érhető el elektrolitikus és kerámiakondenzátorok kombinációjával.
A helyes leválasztás egész koncepciója egy alacsony zajszintű környezet kialakítása, az áramkör megfelelő működése érdekében. Az alapszabály az, hogy a legrövidebb út biztosításával megkönnyítsük az áram visszatérését.
A tervezőknek mindig ellenőrizniük kell az egyes eszközök nagyfrekvenciás szűrési ajánlását. Sőt, ez az ellenőrző lista útmutatóként szolgál azáltal, hogy általános leválasztási technikákat és azok helyes végrehajtását adja meg:

• Amíg az elektrolitkondenzátorok töltéstárolóként működnek a tranziens áramokhoz, hogy minimalizálják a tápegységek alacsony frekvenciájú zaját, addig az alacsony induktivitású kerámiakondenzátorok csökkentik a magas frekvenciájú zajokat. A ferritgyűrűk szintén opcionálisak, ezek további nagyfrekvenciás zajszigetelést és leválasztást biztosítanak.
• A tehermentesítő kondenzátorokat a lehető legközelebb kell elhelyezni az eszköz tápellátási kivezetéseihez. Ezeknek a kondenzátoroknak egy nagy felületű, alacsony impedanciájú alaplaphoz kell csatlakozniuk egy via-n vagy rövid nyomvonalon keresztül, hogy minimalizálják a további soros induktivitást.
• A kisebb, jellemzően 0,01 μF és 0,1 μF közötti kondenzátort fizikailag a lehető legközelebb kell elhelyezni az eszköz tápellátási lábaihoz. Ha az eszközön egyszerre több kimenet is kapcsol, ez az elhelyezés megakadályozza az instabilitást. Az elektrolitkondenzátort, jellemzően 10 μF és 100 μF között, legfeljebb egy hüvelyk távolságban kell elhelyezni az eszköz tápkivezetésétől.
• A könnyebb megvalósítás érdekében a leválasztó kondenzátorokat T-típusú csatlakozással lehet összekötni az alapsíkkal, az alkatrész GND-kivezetésének közelében lévő átvezetések segítségével, ahelyett, hogy nyomvonalat hoznánk létre. Lásd a 2. ábrán a mintát.

2. ábra A tápkivezetések leválasztási technikája

PCB rétegek

Miután az alkatrészek elhelyezése és az alaprajz meghatározásra került, átvehetjük a tervezés másik dimenzióját, amelyet általában laprétegeknek neveznek. Erősen ajánlott a NYÁK útválasztása előtt a laprétegeket figyelembe venni, mivel ez határozza meg a rendszertervezés megengedett visszatérő áramának útvonalait.

3. ábra Egy minta 4 rétegű PCB-re

Az áramköri laprétegek vizuális ábrázolása a 3. ábrán látható. Az 1. táblázat egy tipikus 4 rétegű nyomtatott áramköri lap felépítését mutatja be.

1. táblázat Tipikus 4 rétegű PCB

A nagy teljesítményű adatgyűjtő rendszereknek általában négy vagy több réteggel kell rendelkezniük. A felső réteget gyakran a digitális/analóg jelek, míg az alsó réteget a kiegészítőjelek számára használják. A második réteg (földréteg) referenciasíkként szolgál az impedanciavezérelt jelek számára, valamint a feszültségesés (IR drops) csökkentésére, továbbá a felső rétegben lévő digitális jelek árnyékolására is szolgál. Végül a harmadik rétegben található a teljesítménysík.
A táp- és a földsíkoknak egymás mellett kell lenniük, mivel további síkok közötti kapacitást biztosítanak, ami segít a tápegység nagyfrekvenciás leválasztásában.
A földsík esetében a vegyes jelű tervezésre vonatkozó tanácsok megváltoztak az évek során. Míg korábban az alaplap analóg és digitális síkok közötti felosztásának volt értelme, jelenleg a modern vegyes jelű eszközök esetében új megközelítés ajánlott. A megfelelő alaptervezés és a jelek szétválasztása megakadályozhatja a zajos jelekkel kapcsolatos problémákat.

Földsík – Oszd meg vagy ne oszd meg?

A földelés alapvető fontosságú folyamat a vegyes jelű nyomtatott áramköri lapok elrendezésének tervezésénél. Egy tipikus 4 rétegű PCB-n legalább egy réteget a földrétegnek kell szentelni, hogy a visszatérő jelek számára alacsony impedanciájú útvonalat biztosítson. Az összes integrált áramkör földelő kivezetéseit helyesen kell elvezetni és csatlakoztatni az alacsony impedanciájú földsíkhoz, hogy a soros induktivitás és ellenállás minimálisra csökkenjen.
A vegyes jelű rendszereknél az analóg és a digitális földelés szétválasztása szabványos földelési megközelítéssé vált. Az alacsony digitális áramerősségű vegyes jelű eszközök azonban egyetlen földeléssel kezelhetők a legjobban. A továbbiakban a tervezőnek mérlegelnie kell, hogy a vegyes jelek áramigényétől függően melyik földelési gyakorlat felel meg a rendszere számára a legjobban. A tervező két földelési gyakorlat közül tud választani.

Egyetlen földsík

Az alacsony digitális áramerősségű, egyetlen ADC-vel vagy DAC-kal rendelkező vegyes jelű rendszerek esetében a szilárd, egyetlen földsík a legjobb megközelítés. Ahhoz, hogy megértsük az egyetlen földréteg fontosságát, fel kell idéznünk a visszatérő áramot. A visszatérő áram az az áram, amely a földre és az eszközök közötti nyomvonalakra való visszatérés közben folyik, hogy befejezzen egy hurkot. A vegyes jelek interferenciájának megelőzése érdekében minden visszatérési útvonalat nyomon kell követni a NyÁK-elrendezésben.

4. ábra Visszatérő áram szilárd alaplapú rendszer esetén

A 4. ábrán látható egyszerű áramkör megmutatja az egyetlen tömör alaplap előnyét az osztott alaplaphoz képest. A jeláramnak azonos nagyságú, de ellentétes irányú visszatérő árama van. Ez a visszatérő áram az alaplapon visszaáramlik a forráshoz, a legkisebb impedanciájú utat követve.
Alacsony frekvenciájú jelek esetén a visszatérő áram a legkisebb ellenállás útját követi, ami általában egy egyenes vonal az eszközök földi referenciapontjai között. Magasabb frekvenciájú jelek esetén azonban a visszatérő áram egy bizonyos része megpróbálja követni a jel útját visszafelé. Ez azért van így, mert az impedancia alacsonyabb ezt az utat követve, mivel ez minimalizálja a kimenő és a visszatérő áram között kialakuló hurok méretét.

Analóg és digitális föld elválasztása

Az olyan összetett rendszerek esetében, ahol a szilárd földelési séma megvalósítása kihívást jelenthet, megfelelőbb lehet az osztott földelés. Az osztott földsík egy másik népszerű megközelítés, ahol a síkot két részre osztják: analóg és digitális földsíkra. Ez olyan összetettebb rendszereknél alkalmazható, amelyekben több vegyes jelű, nagy digitális áramot fogyasztó eszköz található. Az 5. ábra egy példát mutat egy osztott földsíkkal rendelkező rendszerre.

5. ábra Visszatérő áram osztott földsíkú rendszerek esetén

Az osztott földsíkkal rendelkező rendszerek esetében a legegyszerűbb megoldás az összefüggő földelés elérésére a földsíkok törésének megszüntetése, és a visszatérő áram közvetlenebb útvonalon, egy csillag földelési csomóponton keresztül történő visszaáramlásának lehetővé tétele. A csillagföldelés az a csomópont, ahol az analóg és a digitális földsíkok összekapcsolódnak a vegyes jelű elrendezésben.
A gyakori rendszerekben a csillagföldeléshez társulhat egy egyszerű, keskeny, folytonos csomópont az analóg és a digitális földsíkok között. Összetettebb kialakítások esetén a csillagföldelés általában egy földelő vezetékhez csatlakozó jumperrel valósul meg. Nincs szükség nagy áramot vezető vezetékre és jumper-söntre, mivel a csillagföldelésben nem fog áram folyni, ennek fő célja azt biztosítani, hogy mindkét földelés azonos referenciaszintű legyen.
A tervezőknek mindig ellenőrizniük kell az egyes eszközök adatlapján található földelési ajánlásokat, hogy biztosítsák a földelési előírások betartását és a földeléssel kapcsolatos problémák elkerülését. Egy másik megjegyzés: a vegyes jelű eszközök esetében, amelyek AGND és DGND kivezetésekkel rendelkeznek, a megfelelő földsíkokhoz köthetők, mivel a csillagföldelés mindkét földet egy ponton fogja összekötni. Ily módon minden zajos digitális áram a digitális tápegységen keresztül a digitális földsíkra és vissza a digitális tápegységre folyik, miközben az érzékeny analóg áramköröktől elszigetelt marad. Az AGND és DGND síkok szigetelését a többrétegű NYÁK minden rétegén meg kell valósítani.

Egyéb közös földelési gyakorlatok

Az eljárásellenőrzési lista segítségével követhető, hogy a megfelelő földelési séma valósult-e meg egy vegyes jelű analóg/digitális rendszerben:

• A csillagpontban széles rézvezetékeknek kell csatlakozásokat alkotniuk.
• Fontos ellenőrizni az alaplapot a keskeny nyomvonalakra, mivel ezek az összeköttetések nemkívánatosak.
• Hasznos lehet, hogy szükség esetén az analóg és a digitális földsíkok összekapcsolására pad-ek és via-k álljanak rendelkezésre.

Következtetés

A vegyes jelű alkalmazások nyomtatott áramköri elrendezése kihívást jelenthet. Az alkatrészalaprajz elkészítése csak a kiindulópont. A laprétegek megfelelő kezelése és a megfelelő földelési séma elkészítése szintén a kulcsfontosságú pontok közé tartozik, amelyeket a rendszertervezőnek figyelembe kell vennie, amikor megpróbálja elérni az optimális teljesítményt egy vegyes jelű rendszer elrendezésében. Az alkatrészalaprajz elkészítése segít meghatározni a rendszertervezés általános integritását. A megfelelő rétegszervezés segít az áramok és a jelek kezelésében az egész NyÁK-lapon. Végül a legelőnyösebb földelési séma kiválasztása javítja a rendszer teljesítményét, és megelőzi a zajos jelekkel és a visszatérő árammal kapcsolatos problémákat.
További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerzők: May Anne Porley – Alkalmazástechnikai mérnök, Analog Devices
Kevin Chesser – Termékalkalmazási mérnök, Analog Devices

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators.html