Tecnología de PCB - Reglas de diseño de PCB para circuitos analógicos

Aunque la construcción de sistemas analógicos parece haber vuelto a la era de los tubos de vacío, los componentes y circuitos analógicos no desaparecerán pronto y los PCB que los soportan no desaparecerán. Las placas de circuito analógicas puras y los PCB de señal mixta siguen siendo importantes en muchos productos y seguirán funcionando a una cierta gama de frecuencias. Comenzar a simular el diseño de PCB puede ser difícil de empezar por dónde y qué pensar, pero esperamos que estas guías le ayuden a entender qué pasos se pueden tomar para garantizar el éxito.

A veces, es mejor considerar PCB analógicos y PCB de señal mixta de acuerdo con objetivos de diseño comunes. Los circuitos analógicos y las placas de circuito impreso requieren especial cuidado, ya que su objetivo suele ser encaminar la señal e introducirla en el componente / circuito mientras se garantiza el funcionamiento de bajo ruido. A continuación, el rango de frecuencia de las operaciones de la Junta determinará algunas de las medidas que deben tomarse para garantizar que el diseño funcione como se esperaba. En esta guía, esbozaremos algunas guías de diseño y diseño de PCB analógicos estándar que debe considerar. Intentaremos cubrir el rango de baja frecuencia de kHz a alta frecuencia de onda milimétrica.

Apilamiento simulado de capas de PCB

Una vez completado el diseño del circuito, la pila de capas es la primera parada del diseño. Las pilas de capas analógicas suelen seguir las mismas ideas utilizadas para construir pilas digitales de pcb. Preste atención a los siguientes puntos:

Fuente de alimentación y puesta a tierra: se planea utilizar una gran cantidad de puesta a tierra alrededor de los rastros que transmiten señales clave en el diseño de pcb, y planificar el cableado de la pista de alimentación en consecuencia. Los diseñadores más nuevos pueden estar acostumbrados a pensar en cómo cableado importantes interconexiones analógicas, pero si lo haces antes, puedes planificar el cableado de energía y señal en consecuencia.

Fuente de alimentación de alta frecuencia: si su tablero analógico necesita transmitirse con alta potencia de salida y alta frecuencia, entonces necesita proporcionar una fuente de alimentación muy estable, que puede ser alta corriente. Se planea utilizar el plano de alimentación en lugar de la pista en la capa interior y colocar el plano de tierra en la capa adyacente.

Selección de materiales: creo que cada diseñador quiere usar placas de base de PTFE de baja pérdida en cada capa de la placa de circuito analógico, pero estos materiales caros no siempre son necesarios. Si su frecuencia de trabajo no es de decenas de GHz y solo utiliza cableado corto, siempre y cuando no conecte durante mucho tiempo, puede usar el laminado fr4 estándar. Si realmente necesita un laminado de baja pérdida, Póngase en contacto con su fabricante para saber cómo usar una pila mixta de pcb.

En los PCB de señal mixta, las recomendaciones de alimentación y puesta a tierra suelen ser diferentes, dependiendo de si se necesita algún cableado directo entre componentes analógicos y digitales.

Fuente de alimentación de señal híbrida

Para las fuentes de alimentación de señal híbrida, el plano de alimentación generalmente se divide en partes digitales y analógicas, similares al trabajo realizado por el plano de alimentación digital que funciona a diferentes tensiones de alimentación. Estas partes deben estar en la misma capa y referirse al mismo plano de tierra en la capa adyacente. Además, es mejor colocar solo la Guía de alimentación digital y la Guía de alimentación analógica en la parte digital de la placa de circuito.

Diagrama esquemático del diseño de los componentes analógicos y digitales PWR / gnd.

Si se debe utilizar la disposición a la izquierda de la imagen de arriba, no se deben colocar planos de alimentación digitales y analógicos separados en dos capas adyacentes, superponiendo así los planos. Si estos dos planos se superponen en capas adyacentes, entonces estos dos planos tendrán un alto capacitor entre las áreas superpuestas, generando así una fuerte corriente de desplazamiento. Debido a que el potencial eléctrico entre estos dos planos fluctúa durante el cambio, esto provocará una emisión de cavidad bajo radiofrecuencia.

Además, no se debe crear una interfaz entre los componentes digitales y los componentes analógicos mediante el cableado entre los componentes analógicos y los componentes digitales. Para entender las razones, consulte este artículo. La interfaz que necesita puede ser proporcionada por adc, que se puede incorporar en su controlador de host o IC dedicado.

Simular la colocación de componentes en el diseño de PCB

Como sugiere el plan PWR / gnd anterior, los componentes analógicos solo se colocan en la parte analógica y los componentes digitales solo en la parte digital. Desafortunadamente, no podemos cubrir todas las ubicaciones posibles de componentes, pero podemos discutir brevemente algunos componentes importantes. ADC y amplificador (incluido el amplificador operativo) son los dos componentes más interesantes con algunas pautas de diseño importantes.

Procesar amplificadores operativos no utilizados

Uno de los componentes que debe aparecer en el tablero analógico es el amplificador operativo. En muchos IC de amplificadores operativos, algunos estarán inactivos. Cualquier cable no utilizado en el IC debe terminarse correctamente. Los cables no terminados (es decir, flotantes) en el amplificador operativo en el IC generan ruido y se propagan al IC de trabajo, reduciendo así la integridad de la señal.

Si está utilizando una sola guía de alimentación, primero debe cortocircuitar la salida a la entrada invertida. Esto genera retroalimentación negativa y garantiza que la salida siga correctamente la entrada. A continuación, conecte el divisor de tensión con igual resistencia a la entrada no invertida y al pin de tierra. Esto establece el potencial de entrada en el punto medio del rango lineal. Si utiliza la órbita dividida, puede simplemente acortar la salida a la entrada de fase inversa y poner la entrada de fase no inversa a tierra.

Problemas con el amplificador de potencia

A baja frecuencia, el amplificador no estará sujeto a ninguna restricción especial que no se aplique a otros pcb. Para los amplificadores de potencia que funcionan en alta frecuencia, la situación es diferente, ya que la salida del amplificador puede ser inestable y se manifiesta como una retroalimentación positiva inesperada. Puede usar algunas simulaciones para rastrear el acoplamiento de vuelta a la entrada del amplificador, aunque estos requieren un Solucionador de campo que pueda conectarse directamente con el diseño del pcb. Aprende más sobre este interesante tema de integridad de señal que involucra amplificadores de potencia de radiofrecuencia.

Posición de colocación del ADC

ADC es donde las señales analógicas están conectadas al mundo digital, por lo que esta parte debe colocarse con cuidado, ya que contendrá la parte digital. Es mejor colocar ADC discretos aproximadamente a lo largo del límite entre las partes digitales y analógicas. De hecho, esta puede ser la única forma aceptable de crear una interfaz en un sistema de señal híbrido con un plano de tierra separado, ya que el plano de tierra en el chip de silicio puede proporcionar un plano de referencia para las señales de entrada / salida. Sin embargo, si se utiliza un plano de tierra uniforme, la colocación del ADC y el blindaje proporcionado por el plano de tierra tendrán mayor flexibilidad.

Guía de diseño de PCB analógico

El cableado en el PCB analógico es para garantizar que las señales analógicas enviadas a lo largo de la interconexión no se distorsionen significativamente en el lado del receptor de la interconexión. Cuando se utilizan PCB analógicos, su número neto suele ser mucho menor que el digital, por lo que puede probar algunos diseños posibles lo antes posible hasta encontrar un plano solucionable. Estas son algunas guías de ruta:

Longitud del rastro: en general, trate de mantener el rastro en el PCB simulado lo más corto y recto posible. Esto es muy importante a medida que aumenta la frecuencia de la señal. Además de la pérdida, también debemos prestar atención a la longitud crítica de la señal.

Minimizar el uso de los agujeros: cada agujero aumenta la pérdida de los parámetros S de interconexión, por lo que es mejor minimizar estas pérdidas y realizar solo las conversiones de capa necesarias cuando sea posible. Para aquellos a través de los agujeros que todavía existen, pueden producir una fuerte radiación como una antena.

Hay muchos problemas a tener en cuenta en el diseño analógico de pcb, pero las herramientas de diseño correctas y el software de diseño impulsado por reglas le ayudarán a implementar las pautas necesarias para mantener el sistema analógico libre de ruido y garantizar la integridad de la señal / fuente de alimentación.