Technologie PCB - Stratégies de câblage PCB requises pour les convertisseurs A / D

Les convertisseurs analogiques (A / d) sont issus de paradigmes analogiques où la majeure partie du silicium physique est analogique. Avec le développement de la nouvelle topologie de conception, le paradigme a évolué pour inclure le numérique comme composant principal des convertisseurs A / D à faible vitesse. Bien que les convertisseurs A / D soient passés d'une position dominante analogique à une position dominante numérique, les normes de câblage des cartes PCB sont restées inchangées. Lorsque les concepteurs de câblage conçoivent des circuits à signaux mixtes, le câblage efficace nécessite encore des connaissances clés en câblage. Cet article traite de la stratégie de câblage PCB requise pour les convertisseurs A / D en prenant comme exemples les convertisseurs A / D de type approche par approche et de type â - â ³.

Les convertisseurs A / D à approche progressive ont des résolutions de 8 bits, 10 bits, 12 bits, 16 bits et 18 bits. Initialement, le processus et la structure de ces convertisseurs étaient bipolaires, avec un réseau de résistances trapézoïdales R - 2R. Récemment, cependant, ces dispositifs ont été greffés dans un procédé CMOS utilisant une topologie de distribution de charge Capacitive. Il est clair que cette migration ne modifie pas les politiques de routage système de ces convertisseurs. Les méthodes de câblage de base sont cohérentes, à l'exception des appareils avec une résolution plus élevée. Pour ces dispositifs, une attention particulière doit être accordée à la prévention des rétroactions numériques provenant des interfaces de sortie série ou parallèle du convertisseur.

Ce convertisseur utilise une distribution de charges formée par un réseau de condensateurs.

Dans ce schéma bloc, l'échantillonneur / bloqueur, le Comparateur, la plupart des convertisseurs numériques - analogiques (DAC) et les convertisseurs A / N de type approche par passe 12 bits sont analogiques. Le reste du circuit est numérique. La majeure partie de l'énergie et du courant nécessaires à ce convertisseur est donc utilisée dans les circuits analogiques internes. L'appareil ne nécessite que très peu de courant numérique et le convertisseur D / A et l'interface numérique ne nécessitent que quelques commutateurs.

Ces types de convertisseurs peuvent comporter plusieurs broches de mise à la terre et de connexion d'alimentation. Les noms de broches sont souvent trompeurs, car les étiquettes de broches peuvent être utilisées pour différencier les connexions analogiques et numériques. Ces étiquettes ne sont pas utilisées pour décrire la connexion du système au PCB, mais pour déterminer comment le courant numérique et analogique sort de la puce. Connaissant ces informations, et sachant que les principales ressources consommées sur la puce sont analogiques, il est logique de connecter les broches d'alimentation et de terre dans un même plan, par example analogique.

Pour ces appareils, deux broches de terre sont généralement appelées à partir de la puce: agnd et dgnd. L'alimentation a une broche de plomb. Lorsque le câblage PCB est réalisé avec ces puces, agnd et dgnd doivent être connectés au plan de masse analogique. Les broches d'alimentation analogique et numérique doivent également être connectées au plan d'alimentation analogique ou au moins au rail de puissance analogique, et une capacité de dérivation appropriée doit être connectée aussi près que possible de chaque broche d'alimentation. En raison de la limitation du nombre de broches encapsulées, un dispositif tel que le mcp3201 n'a qu'une broche de terre et une broche d'alimentation positive. Cependant, l'isolation augmente la possibilité que le convertisseur soit bon et reproductible. Pour tous ces convertisseurs, la stratégie d'alimentation devrait être de connecter toutes les broches d'alimentation de masse, positive et négative au plan analogique. En outre, la broche « com» ou « in» associée au signal d'entrée doit être placée aussi près que possible de la connexion du signal.

Pour les convertisseurs A / D à approche progressive de résolution supérieure (convertisseurs 16 bits et 18 bits), des précautions supplémentaires sont nécessaires pour isoler le bruit numérique des convertisseurs analogiques « silencieux» et des plans d'alimentation. Lorsque ces appareils sont interfacés avec des monopuces, des tampons numériques externes doivent être utilisés pour un fonctionnement sans bruit. Bien que ces types de convertisseurs A / N à approche descendante comportent généralement une double mémoire tampon interne côté sortie numérique, une mémoire tampon externe est utilisée pour isoler davantage les circuits analogiques du convertisseur du bruit du bus numérique.

Dans le cas d'un convertisseur A / D à approche progressive à haute résolution, l'alimentation et la masse du convertisseur doivent être connectées au plan analogique. La sortie numérique du convertisseur A / D doit être tamponnée avec un tampon de sortie externe à trois états. En plus de leurs capacités de conduite élevées, ces tampons ont la fonction d'isoler les côtés analogiques et numériques. Dans le cas d'un convertisseur A / D à approche progressive à haute résolution, l'alimentation et la masse du convertisseur doivent être connectées au plan analogique. La sortie numérique du convertisseur A / D doit être tamponnée avec un tampon de sortie externe à trois états. En plus de leurs capacités de conduite élevées, ces tampons ont la fonction d'isoler les côtés analogiques et numériques.

Stratégie de câblage pour les convertisseurs A / D type gauâ - â ³

Les zones de silicium des convertisseurs A / D de type gauâ - â ³ sont principalement numériques. Au début du convertisseur, un changement de paradigme a encouragé les utilisateurs à utiliser des plans de PCB pour séparer le bruit numérique du bruit analogique. Comme les convertisseurs A / D à approche progressive, ces types de convertisseurs A / D peuvent avoir plusieurs broches analogiques, numériques et d'alimentation. Les ingénieurs en conception numérique ou analogique préfèrent souvent séparer ces broches et les connecter à différents plans. Cependant, cette tendance est erronée, surtout si vous essayez de résoudre un problème de bruit grave avec des appareils 16 bits à 24 bits.

Pour les convertisseurs A / D haute résolution â - â ³ type avec un débit de données de 10 Hz, l'horloge (interne ou externe) ajoutée au convertisseur peut être de 10 MHz ou 20 MHz. Cette horloge haute fréquence est utilisée pour allumer et éteindre le modulateur et exécuter le moteur de suréchantillonnage. Pour ces circuits, les broches agnd et dgnd sont connectées ensemble sur le même plan de masse que les convertisseurs A / N à approche progressive. En outre, les broches d'alimentation analogiques et numériques sont connectées ensemble dans le même plan. Les exigences pour les plans de puissance analogiques et numériques sont les mêmes que pour les convertisseurs A / D à approche progressive haute résolution.

Il doit y avoir un plan d'étage, ce qui signifie qu'il y a au moins deux panneaux. Sur ce double panneau, le plan d'étage doit couvrir au moins 75% de la surface totale du plancher. Le but de la couche de terre est de réduire l'impédance de terre et l'inductance et de fournir un blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radiofréquences (RFI). Si un câblage de connexion interne est nécessaire du côté du plan de masse de la plaque, le câblage doit être aussi court que possible et perpendiculaire à la boucle de courant de terre.

Conclusion

Pour les convertisseurs A / N bas, par example six bits, huit bits, voire dix bits, il est possible de ne pas séparer les broches analogiques et numériques. Cependant, à mesure que votre choix de convertisseurs et de résolutions augmente, les exigences de câblage deviennent plus strictes. Les convertisseurs A / D à approche progressive haute résolution et les convertisseurs A / D â - â ³ doivent être connectés directement à la terre analogique à faible bruit et au plan d'alimentation.