Technologie PCB - Règles de conception de circuits analogiques PCB

Bien que la construction de systèmes analogiques puisse sembler être un retour à l'ère des tubes à vide, les composants et circuits analogiques ne disparaîtront pas de sitôt, pas plus que les PCB qui les supportent. Les circuits imprimés analogiques purs et les circuits imprimés à signaux mixtes restent importants dans de nombreux produits et continueront à fonctionner à une certaine gamme de fréquences. Il peut être difficile de commencer à simuler une conception de PCB par où commencer et ce qu'il faut considérer, mais nous espérons que ces guides vous aideront à comprendre les étapes à suivre pour assurer votre succès.

Parfois, il est préférable d'envisager des PCB analogiques et des PCB à signaux mixtes en fonction d'objectifs de conception communs. Les circuits analogiques et les cartes de circuits imprimés nécessitent un soin particulier car leur objectif est généralement d'acheminer les signaux et de les introduire dans les composants / circuits tout en assurant un fonctionnement à faible bruit. La gamme de fréquences dans laquelle le Conseil d'administration opère déterminera ensuite certaines des mesures à prendre pour s'assurer que la conception fonctionne comme prévu. Dans ce guide, nous allons décrire quelques lignes directrices de conception et de mise en page de PCB analogique standard que vous devriez considérer. Nous allons essayer de couvrir une gamme de fréquences allant des basses kHz aux hautes fréquences millimétriques.

Simulation d'empilement de couches PCB

Une fois la conception du circuit terminée, la pile de couches est le premier arrêt de la conception. Les piles de couches analogiques suivent généralement les mêmes idées utilisées pour construire des piles de PCB numériques. Veuillez noter les points suivants:

Alimentation et mise à la terre: prévoyez d'utiliser beaucoup de mise à la terre autour des traces qui transmettent les signaux critiques dans la disposition du PCB et Planifiez le câblage du rail d'alimentation en conséquence. Les nouveaux concepteurs peuvent être habitués à penser à la façon de câbler les interconnexions analogiques importantes, mais si vous le faites plus tôt, vous pouvez planifier le câblage de l'alimentation et du signal en conséquence.

Alimentation haute fréquence: Si votre carte analogique doit transmettre à haute puissance de sortie et à haute fréquence, vous devez fournir une alimentation très stable, probablement à courant élevé. Il est prévu d'utiliser un plan d'alimentation au lieu de pistes dans la couche interne et de placer un plan de masse dans les couches adjacentes.

Choix des matériaux: Je pense que chaque concepteur veut utiliser des platines à base de PTFE à faible perte sur chaque couche de la carte analogique, mais ces matériaux coûteux ne sont pas toujours nécessaires. Si vous ne travaillez pas sur des dizaines de GHz et que vous utilisez uniquement un câblage court, vous pouvez utiliser un stratifié fr4 standard tant que vous ne câblez pas de longues interconnexions. Si vous avez vraiment besoin d'un stratifié à faible perte, contactez votre fabricant pour savoir comment utiliser un empilement de PCB hybride.

Dans les PCB à signal mixte, les recommandations d'alimentation et de mise à la terre diffèrent généralement selon qu'un câblage direct est nécessaire entre les composants analogiques et numériques.

Puissance de signal mixte

Pour les alimentations à signaux mixtes, le plan d'alimentation est généralement divisé en parties numériques et analogiques, similaires à ce que font les plans d'alimentation numériques fonctionnant à différentes tensions d'alimentation. Ces parties doivent être dans la même couche et référencées au même plan de masse sur les couches adjacentes. De plus, il est préférable de ne placer que les guides d'alimentation numériques et les guides d'alimentation analogiques dans la partie numérique de la carte.

Représentation schématique de la disposition des composants analogiques et numériques PWR / GND.

Si vous devez utiliser la disposition à gauche de la figure ci - dessus, vous ne devez pas placer des plans d'alimentation numériques et analogiques distincts dans deux couches adjacentes, de sorte que les plans se chevauchent. Si ces deux faces planes se chevauchent dans des couches adjacentes, ces deux faces auront une capacité élevée entre les zones de recouvrement, ce qui créera un fort courant de déplacement. Comme le potentiel électrique entre ces deux plans fluctue lors de la commutation, il en résultera une émission de la cavité en radiofréquence.

De plus, il ne faut pas créer d'interface entre les composants numériques et analogiques en les câblageant entre eux. Pour comprendre pourquoi, consultez cet article. L'interface dont vous avez besoin peut être fournie par l'ADC, qui peut être intégré à votre contrôleur hôte ou à un circuit intégré dédié.

Simuler le placement de composants dans une mise en page PCB

Comme le suggère le plan PWR / GND ci - dessus, seuls les composants analogiques sont placés dans la partie analogique et seuls les composants numériques sont placés dans la partie numérique. Malheureusement, nous ne pouvons pas couvrir tous les placements de composants possibles, mais nous pouvons discuter brièvement de certains composants importants. L'ADC et l'amplificateur (y compris l'amplificateur opérationnel) sont deux des composants les plus intéressants, avec quelques directives de mise en page importantes.

Traitement des amplificateurs opérationnels inutilisés

Un composant qui doit apparaître sur la carte analogique est un amplificateur opérationnel. Parmi les nombreux amplificateurs opérationnels IC, certains seront à l'état inactif. Tout fil non utilisé sur l'IC doit être correctement terminé. Les fils non connectés (c'est - à - dire flottants) sur l'amplificateur opérationnel dans le ci créent du bruit et se propagent dans le ci de travail, ce qui réduit l'intégrité du signal.

Si vous utilisez un seul rail d'alimentation, vous devez d'abord court - circuiter la sortie à l'entrée inverseuse. Cela crée une rétroaction négative et garantit que la sortie suit correctement l'entrée. Ensuite, connectez le diviseur de tension de résistance égale à l'entrée non inverseuse et à la broche de masse. Cela définit le potentiel d'entrée au point milieu de la plage linéaire. Si vous utilisez le rail fendu, vous pouvez simplement raccourcir la sortie à l'entrée inverseuse et mettre l'entrée non inverseuse à la masse.

Problèmes avec les amplificateurs de puissance

À basse fréquence, l'amplificateur ne sera soumis à aucune restriction particulière qui ne s'applique pas aux autres PCB. La situation est différente pour les amplificateurs de puissance fonctionnant à haute fréquence, car la sortie de l'amplificateur peut être instable et se manifester par une rétroaction positive inattendue. Vous pouvez utiliser quelques simulations pour suivre le couplage de retour à l'entrée de l'amplificateur, bien que ceux - ci nécessitent un solveur de champ qui peut s'interfacer directement avec la disposition du PCB. En savoir plus sur ce problème intéressant d'intégrité du signal impliquant un amplificateur de puissance RF.

Emplacement de l'ADC

L'ADC est l'endroit où les signaux analogiques se connectent au monde numérique, cette section doit donc être placée avec soin car elle contiendra une section numérique. Les ADC discrets sont de préférence placés approximativement le long de la frontière entre les parties numérique et analogique. En effet, il peut s'agir de la seule manière acceptable de créer une interface dans un système à signaux mixtes avec des plans de masse distincts, car un plan de masse sur une puce de silicium peut fournir un plan de référence pour les signaux d'entrée / sortie. Cependant, si un plan de masse uniforme est utilisé, le placement de l'ADC et le blindage fourni par le plan de masse auront une plus grande flexibilité.

Guide de mise en page PCB analogique

Le câblage dans un PCB analogique est destiné à assurer que les signaux analogiques envoyés le long de l'interconnexion ne sont pas déformés de manière significative du côté du récepteur de l'interconnexion. Lorsque vous utilisez des PCB analogiques, vous avez généralement beaucoup moins de quantité nette que les PCB numériques, vous pouvez donc essayer certaines dispositions possibles le plus tôt possible jusqu'à ce que vous trouviez un plan d'étage résolvable. Voici quelques guides d'itinéraires:

Longueur des traces: en général, essayez de garder les traces dans votre PCB analogique aussi courtes et droites que possible. Ceci est très important à mesure que la fréquence du signal augmente. En plus des pertes, nous devons également faire attention à la longueur critique du signal.

Minimise l'utilisation de porosités: chaque porosité augmente les pertes du paramètre s de l'interconnexion, il est donc préférable de minimiser ces pertes et, si possible, de n'effectuer que les conversions de couches nécessaires. Pour ces Vias encore présents, ils peuvent produire un rayonnement intense comme une antenne

Il y a beaucoup de questions à prendre en compte dans la mise en page de PCB analogique, mais les bons outils de conception et un logiciel de conception régi par des règles vous aideront à mettre en œuvre les directives dont vous avez besoin pour garder votre système analogique sans bruit et assurer l'intégrité du signal / de l'alimentation.