PCB Tecnico - Diversi suggerimenti per migliorare perfettamente l'immunità della scheda PCB ai cambiamenti di alimentazione

Per il convertitore e il sistema finale, è necessario garantire che il rumore su un dato ingresso non influisca sulle prestazioni. E' piccante? Per comprendere il rumore dell'alimentazione elettrica e soddisfare i requisiti di progettazione del sistema, a quali aspetti dovremmo prestare attenzione sulla scheda PCB?

Prima selezionare il convertitore, quindi selezionare il regolatore, LDO, regolatore di commutazione, ecc. Non tutti i regolatori sono adatti. È necessario controllare le specifiche di rumore e ondulazione nella scheda tecnica del regolatore, così come la frequenza di commutazione (se si utilizza un regolatore di commutazione). Un regolatore tipico può avere rumore 10µVrms in una larghezza di banda 100kHz. Supponendo che il rumore sia rumore bianco, equivale ad una densità di rumore di 31,6nVrms/âšHz nella banda di frequenza di destinazione.

Controllare l'indice di rifiuto dell'alimentazione elettrica del convertitore per capire quando le prestazioni del convertitore si degradano a causa del rumore dell'alimentazione elettrica. Nella prima zona Nyquist fS/2, il PSRR della maggior parte dei convertitori ad alta velocità è tipicamente 60dB (1mV/V). Se il valore non è indicato nella scheda tecnica, si prega di misurare secondo il metodo di cui sopra, o chiedere al produttore.

Utilizzando un ADC a 16 bit con un intervallo di ingresso 2Vp-p full-scale, 78dBSNR e 125MSPS frequenza di campionamento, il suo livello di rumore è di 11.26nVrms. Il rumore da qualsiasi sorgente deve essere inferiore a questo valore per evitare che influisca sul convertitore. Nella prima zona Nyquist, il rumore del convertitore sarà 89.02 µVrms (11.26nVrms/âšHz)*âš(125MHz/2). Anche se il rumore del regolatore (31.6nv/â Ֆš Hz) è più del doppio di quello del convertitore, il convertitore ha un PSRR di 60dB, che sopprimerà il rumore del regolatore di commutazione a 31.6pV/â Ֆš Hz (31.6nV/â Ֆš Hz* 1mV/V). Questo rumore è molto più piccolo del pavimento di rumore del convertitore, quindi il rumore del regolatore non degrada le prestazioni del convertitore.

Filtri di potenza, messa a terra e layout sono altrettanto importanti. L'aggiunta di un condensatore 0.1µF sul perno di alimentazione ADC può rendere il rumore inferiore al valore calcolato di cui sopra. Ricorda che alcuni pin di alimentazione attirano più corrente o sono più sensibili di altri pin di alimentazione. Pertanto, i condensatori di disaccoppiamento devono essere utilizzati con cautela, ma essere consapevoli che alcuni pin di alimentazione possono richiedere condensatori di disaccoppiamento aggiuntivi. L'aggiunta di un semplice filtro LC all'uscita dell'alimentatore aiuta anche a ridurre il rumore. Tuttavia, quando si utilizza un regolatore di commutazione, il filtro a cascata può sopprimere il rumore a un livello inferiore. Ciò che deve essere ricordato è che ogni aumento di un livello di guadagno aumenterà di circa 20dB per 10 ottava.

Una cosa da notare è che l'analisi di cui sopra è solo per un singolo convertitore. Se il sistema coinvolge più convertitori o canali, l'analisi del rumore sarà diversa. Ad esempio, i sistemi a ultrasuoni utilizzano molti canali ADC, che vengono sommati digitalmente per aumentare la gamma dinamica. Fondamentalmente, ogni volta che il numero di canali viene raddoppiato, il rumore del convertitore/sistema sarà ridotto di 3dB. Per l'esempio precedente, se vengono utilizzati due convertitori, il pavimento di rumore del convertitore diventerà metà (â Ֆ 3dB); se vengono utilizzati quattro convertitori, il pavimento acustico diventerà â Ֆ6dB. Questo perché ogni convertitore può essere trattato come una fonte di rumore non correlata. Le sorgenti di rumore non corrette sono indipendenti l'una dall'altra, quindi è possibile eseguire il calcolo RSS (radice quadrata della somma dei quadrati). Alla fine, man mano che il numero di canali aumenta e il rumore del sistema diminuisce, il sistema diventerà più sensibile e i vincoli di progettazione sull'alimentazione elettrica diventeranno più severi.

È impossibile eliminare tutto il rumore dell'alimentazione elettrica nell'applicazione, perché nessun sistema può essere completamente immune al rumore dell'alimentazione elettrica. Pertanto, come utente di ADC, dobbiamo rispondere attivamente nella fase di progettazione e layout dell'alimentazione elettrica.

Ecco alcuni consigli utili per aiutarti a massimizzare l'immunità del PCB ai cambiamenti di alimentazione:

Decoppiare tutte le guide elettriche e le tensioni del bus che raggiungono la scheda di sistema.

Ricorda: ogni aumento di guadagno aumenterà di circa 20dB per 10-ottava.

Se i cavi di alimentazione sono più lunghi e forniscono energia a IC, dispositivi e/o aree specifiche, dovrebbero essere nuovamente disaccoppiati.

Sia l'alta che la bassa frequenza devono essere disaccoppiate.

Il punto di ingresso di potenza prima che il condensatore di disaccoppiamento sia messo a terra spesso utilizza perline di ferrite di serie. Fare questo per ogni tensione di alimentazione che entra nella scheda di sistema, sia che provenga da un LDO o da un regolatore di commutazione.

Per i condensatori aggiunti, dovrebbero essere utilizzati strati di potenza e terra strettamente impilati (spaziatura ¤ 4 mil), in modo che il design PCB stesso abbia capacità di disaccoppiamento ad alta frequenza.

Come con qualsiasi buon layout del circuito stampato, l'alimentatore dovrebbe essere tenuto lontano da circuiti analogici sensibili come lo stadio anteriore e i circuiti di clock dell'ADC.

Una buona divisione del circuito è molto importante, alcuni componenti possono essere posizionati sul retro del PCB per migliorare l'isolamento.

Prestare attenzione al percorso di ritorno a terra, soprattutto sul lato digitale, per garantire che i transienti digitali non ritornino alla parte analogica del circuito stampato. In alcuni casi possono essere utili anche piani di terra separati.

Mantenere i componenti di riferimento analogici e digitali al proprio livello. Questo approccio convenzionale può migliorare l'isolamento dal rumore e dalle interazioni di accoppiamento.

Seguire le raccomandazioni del produttore di IC. Se la nota di domanda o la scheda tecnica non forniscono spiegazioni dirette, occorre studiare la commissione di valutazione. Questi sono ottimi strumenti di partenza.