Linee guida per la progettazione di PCB a segnale misto

Il design del PCB di un sistema a segnale misto richiede una conoscenza di base dei circuiti analogici e digitali per ridurre al minimo, se non prevenire, le interferenze del segnale. I sistemi moderni sono costituiti da componenti che sono operativi con domini sia digitali che analogici e questi devono essere attentamente progettati per garantire l'integrità del segnale in tutto il sistema. Questo articolo descriverà in dettaglio cosa considerare quando si progetta il layout di un PCB per un sistema a segnale misto. Nel dettaglio, verranno analizzati il posizionamento dei componenti, gli strati della scheda e alcune considerazioni sul piano di massa. Le linee guida discusse in questo articolo forniscono un approccio pratico alla progettazione del layout di schede a segnale misto.

Introduzione

Il layout del PCB, essendo una parte importante del processo di sviluppo di un sistema a segnale misto, può risultare intimidatorio e il posizionamento dei componenti è solo l'inizio. Ci sono anche altri fattori che devono essere considerati, inclusi i livelli (layers) della scheda e come gestirli correttamente per ridurre al minimo le interferenze causate da condensatori parassiti che possono essere creati involontariamente tra gli strati del PCB. La messa a terra è anche un processo integrale nella progettazione del layout di un PCB a segnale misto. Sebbene la messa a terra sia un argomento dibattuto frequentemente nel settore, costruire un approccio standardizzato potrebbe non essere sempre il compito più semplice per qualsiasi progettista. Ad esempio, un singolo problema nella qualità della messa a terra può influire sull'intero design del layout di un PCB a segnale misto ad alte prestazioni.

Posizionamento dei componenti

Similmente alla costruzione di una casa, è essenziale creare una pianta del sistema prima di posizionare i componenti del circuito. Questo passaggio imposterà l'integrità complessiva del design del sistema e dovrebbe aiutare a evitare interferenze rumorose di segnale. Anche la posizione di un componente è un aspetto critico del progetto. Il progettista dovrebbe essere in grado di identificare i blocchi funzionali importanti, i segnali e le connessioni tra i blocchi per identificare la posizione più adatta per ciascun componente nel sistema. I connettori, ad esempio, è meglio posizionarli sui bordi della scheda, mentre componenti ausiliari come i condensatori di disaccoppiamento e i cristalli devono essere posizionati il più vicino possibile al dispositivo a segnale misto.

Partizione dei blocchi analogici e digitali

Per ridurre al minimo il percorso di ritorno comune per i segnali analogici e digitali, la separazione dei blocchi analogici e digitali (in Figura 1) può essere presa in considerazione visto che i segnali analogici non si mescolano con i segnali digitali.

Figura 1: Esempio di partizione dei circuiti analogici e digitali

Alcune considerazioni sulla separazione delle sezioni analogica e digitale sono:

I componenti analogici sensibili come amplificatori e riferimenti di tensione è consigliato posizionarli all'interno del piano analogico. Allo stesso modo, i componenti digitali rumorosi come controlli logici e blocchi di temporizzazione devono essere posizionati nel piano digitale.
Se un sistema contiene un convertitore analogico-digitale (ADC) o un convertitore digitale-analogico (DAC) con basse correnti digitali, questo può essere trattato similmente ai componenti analogici inclusi nel piano analogico.
Per i progetti con più di un ADC e DAC con corrente elevata, è consigliato dividere le alimentazioni analogiche e digitali. Cioè, AV_CC dovrebbe essere connessa alla sezione analogica, mentre DV_DD dovrebbe essere collegata alla sezione digitale.
Microprocessori e microcontrollori possono occupare spazio e generare calore. Questi componenti devono essere posizionati al centro della scheda per migliorare la dissipazione termica e, allo stesso tempo, per essere vicini ai relativi blocchi circuitali.

Blocco alimentazione

L'alimentazione è una parte importante del circuito e dovrebbe essere gestita di conseguenza. Come regola generale, il blocco di alimentazione deve essere isolato dal resto del circuito e allo stesso tempo rimanere vicino ai componenti da alimentare. I sistemi complessi con dispositivi che dispongono di più pin di alimentazione possono utilizzare diversi blocchi di alimentazione dedicati alle sezioni analogica e digitale per evitare il rumore da interferenza digitale. D'altra parte, il routing dell'alimentazione dovrebbe essere breve, diretto, e utilizzare ampie tracce per ridurre l'induttanza ed evitare la limitazione di corrente.

Tecniche di disaccoppiamento

Il rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) è uno dei parametri che un progettista deve considerare nel raggiungimento delle prestazioni target del sistema. PSRR è la misura della sensibilità di un dispositivo rispetto alle variazioni di alimentazione, che eventualmente detterà le prestazioni di un determinato dispositivo. Per mantenere un PSRR ottimale, è necessario limitare l'energia ad alta frequenza dall'entrare nel dispositivo. Questo, può essere fatto disaccoppiando correttamente l'alimentazione dal piano di massa a bassa impedenza del dispositivo con una combinazione di condensatori elettrolitici e ceramici. L'intero concetto di corretto disaccoppiamento è quello di sviluppare un ambiente a basso rumore in cui il circuito possa operare. La regola di base è rendere facile il ritorno della corrente fornendo il percorso più breve.

I progettisti devono sempre controllare le raccomandazioni di filtraggio ad alta frequenza di ogni dispositivo. Inoltre, questa lista di controllo servirà da guida fornendo tecniche generali di disaccoppiamento e loro corretta attuazione:

Mentre i condensatori elettrolitici fungono da serbatoi di carica per le correnti transitorie per ridurre al minimo il rumore a bassa frequenza sugli alimentatori, i condensatori ceramici a bassa induttanza dall'altro lato riducono il rumore ad alta frequenza. Inoltre, perline di ferrite sono opzionali ma aggiungeranno un isolamento extra da rumore e disaccoppiamento ad alta frequenza.
I condensatori di disaccoppiamento devono essere posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione del dispositivo. Questi condensatori dovrebbero collegarsi a una vasta area del piano di massa a bassa impedenza attraverso un vias o una breve traccia per ridurre al minimo l'aggiunta di induttanza in serie.
Il condensatore più piccolo, tipicamente da 0,01 μF a 0,1 μF, dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile ai pin di alimentazione del dispositivo. Quando il dispositivo ha diverse uscite commutate allo stesso tempo, questo posizionamento previene le instabilità. Il condensatore elettrolitico, tipicamente da 10 μF a 100 μF, dovrebbe essere posizionato non più lontano di un pollice dal pin di alimentazione del dispositivo.
Per una più facile implementazione, i condensatori di disaccoppiamento possono essere collegati tramite un collegamento di tipo T al piano di massa tramite vias vicino al pin GND del componente piuttosto che creare una traccia.

Strati della scheda

Una volta impostati il posizionamento dei componenti e la planimetria, possiamo procedere all'altra dimensione del design della scheda. Viene consigliato vivamente di prendere in considerazione gli strati della scheda prima di eseguire il routing del PCB in quanto ciò determinerà i percorsi consentiti per la corrente di ritorno nel design del sistema. La stratificazione della scheda è la disposizione verticale degli strati di rame nella scheda. Questi strati dovrebbero gestire le correnti e il segnale in tutta la scheda. In generale, i sistemi di raccolta dati ad alte prestazioni dovrebbero avere quattro o più strati. Lo strato superiore viene spesso utilizzato per i segnali digitali/analogici, mentre quello inferiore viene utilizzato per i segnali ausiliari. Il secondo strato (strato di massa) funge da piano di riferimento per segnali controllati da impedenza e utilizzato per ridurre le cadute IR e schermare i segnali digitali nello strato superiore. Infine, il piano dell'alimentazione è sul terzo strato. I piani di alimentazione e di massa devono essere adiacenti l'uno all'altro poiché forniscono ulteriore capacità interpiano, che aiuta con il disaccoppiamento ad alta frequenza dell'alimentatore. Per il piano di massa, le raccomandazioni sono cambiate nel corso degli anni per ciò che riguarda il design con segnale misto. Nel corso degli anni, la divisione del piano di massa tra analogico e digitale ha avuto un senso, ma per i moderni dispositivi a segnale misto si consiglia un nuovo approccio. Una corretta pianificazione e la separazione dei segnali dovrebbero prevenire eventuali problemi con segnali rumorosi.

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