PCB Tecnico - Regole di progettazione PCB per circuiti analogici

Sebbene la costruzione di un sistema analogico sembri un ritorno all'era del tubo vuoto, i componenti e i circuiti analogici non scompariranno presto, né i PCB che li supportano. I circuiti stampati puramente analogici e i PCB a segnale misto sono ancora importanti in molti prodotti e continueranno a funzionare a una gamma di frequenze. Iniziare con la progettazione di PCB analogici può essere difficile da dove iniziare e cosa prendere in considerazione, ma speriamo che queste linee guida ti aiuteranno a capire i passi che puoi intraprendere per garantire il successo.

A volte, è meglio considerare PCB analogici e PCB a segnale misto basati su obiettivi di progettazione comuni. I circuiti analogici e i PCB richiedono particolare attenzione, perché l'obiettivo è solitamente quello di instradare i segnali e inserirli nei componenti/circuiti garantendo al contempo un funzionamento a basso rumore. Quindi, la gamma di frequenze del funzionamento della scheda determinerà alcune delle misure che devono essere adottate per garantire che il progetto funzioni come previsto. In questa guida, illustreremo alcune linee guida standard di progettazione e layout PCB analogici che dovresti prendere in considerazione. Cercheremo di coprire da basse frequenze kHz a alte frequenze d'onda millimetriche.

Simula l'impilamento di strati PCB

Dopo che il circuito è stato progettato, lo stack di strati è la prima fermata della progettazione. Lo stack layer analogico segue generalmente la stessa idea utilizzata per costruire uno stack PCB digitale. Prestare attenzione ai seguenti punti:

Alimentazione elettrica e messa a terra: pianificare di utilizzare un gran numero di motivi intorno alle tracce che trasmettono segnali critici nel layout PCB e pianificare il percorso del binario elettrico di conseguenza. I progettisti più recenti possono essere abituati a pensare a come instradare importanti interconnessioni analogiche, ma se lo fai presto, puoi pianificare il cablaggio di alimentazione e segnale di conseguenza.

Alimentazione ad alta frequenza: Se la scheda analogica deve trasmettere ad alta potenza di uscita e ad alta frequenza, allora è necessario fornire un alimentatore molto stabile, che può essere alta corrente. Pianificare di utilizzare un piano di potenza invece di una rotaia sullo strato interno e posizionare un piano di terra sullo strato adiacente.

Selezione dei materiali: Penso che ogni designer voglia utilizzare laminati a base di PTFE a bassa perdita per ogni strato del circuito analogico, ma questi materiali costosi non sono sempre necessari. Se la frequenza di funzionamento non è di decine di GHz e si utilizza solo cavi corti, a patto che non si cablino interconnessioni molto lunghe, è possibile utilizzare laminato FR4 standard. Se hai davvero bisogno di un laminato a bassa perdita, contatta il tuo produttore per imparare come utilizzare uno stack PCB ibrido.

Nei PCB a segnale misto, le raccomandazioni per l'alimentazione e la messa a terra sono solitamente diverse, a seconda che le parti analogiche e digitali richiedano un cablaggio diretto tra di loro.

Alimentazione a segnale misto

Per gli alimentatori a segnale misto, il piano di alimentazione è solitamente diviso in parti digitali e analogiche, simile al lavoro svolto dai piani di alimentazione digitali che lavorano sotto diverse tensioni di alimentazione. Queste parti dovrebbero essere nello stesso strato e fare riferimento allo stesso piano di terra sullo strato adiacente. Inoltre, è meglio mettere la guida di alimentazione digitale solo sulla parte digitale del circuito stampato, così come la guida di alimentazione analogica.

Diagramma schematico del layout delle parti analogiche e digitali PWR/GND.

Se deve essere utilizzata la disposizione sul lato sinistro della figura precedente, piani di potenza digitali e analogici separati non dovrebbero essere collocati in due strati adiacenti in modo che i piani si sovrappongano. Se questi due piani si sovrappongono in strati adiacenti, i due piani avranno un'elevata capacità tra le aree sovrapposte, generando così una forte corrente di spostamento. Poiché il potenziale tra questi due piani oscilla durante il processo di commutazione, ciò si tradurrà in emissione di cavità a radiofrequenza.

Inoltre, non si dovrebbe creare un'interfaccia tra le parti digitali e analogiche cablando gli spazi tra le parti analogiche e digitali. Per capire perché, leggi questo articolo. L'interfaccia di cui hai bisogno può essere fornita dall'ADC, che può essere integrato nel controller host o in un IC dedicato.

Simula il posizionamento dei componenti nel layout PCB

Come suggerisce il piano PWR/GND sopra, posizionare solo componenti analogici nella parte analogica e posizionare solo componenti digitali nella parte digitale. Purtroppo, non possiamo coprire tutti i possibili posizionamenti dei componenti, ma possiamo discutere brevemente alcuni componenti importanti. I due componenti più interessanti con alcune importanti linee guida di layout sono gli ADC e gli amplificatori (compresi gli amplificatori operativi).

Trattamento degli amplificatori operativi non utilizzati

Un componente che deve apparire sulla scheda analogica è l'amplificatore operativo. In molti IC op amp, alcuni amplificatori op saranno inattivi. Eventuali cavi inutilizzati sull'IC devono essere terminati correttamente. I cavi non definiti (cioè galleggianti) sull'amplificatore operativo nell'IC possono generare rumore e propagarsi nell'IC funzionante, riducendo così l'integrità del segnale.

Se si utilizza una singola guida di alimentazione, si dovrebbe prima accorciare l'uscita all'ingresso invertinte. Ciò produce feedback negativi e garantisce che l'uscita segua correttamente l'input. Successivamente, collegare un divisore di tensione con uguale resistenza all'ingresso non invertinte e ai pin di terra. Questo imposta il potenziale di ingresso al punto medio dell'intervallo lineare. Se si utilizza una split rail, è possibile semplicemente accorciare l'uscita all'ingresso invertinte e macinare l'ingresso non invertinte.

Problemi con gli amplificatori di potenza

Alle basse frequenze, l'amplificatore non sarà soggetto ad alcuna restrizione speciale che non sia applicabile ad altri PCB. Per gli amplificatori di potenza che operano ad alte frequenze, la situazione è diversa, perché l'uscita dell'amplificatore può essere instabile, il che si manifesta come feedback positivo inatteso. È possibile utilizzare alcune simulazioni per tracciare l'accoppiamento di nuovo all'ingresso dell'amplificatore, anche se questi richiedono un risolutore di campo che può interfacciarsi direttamente con il layout del PCB. Scopri di più su questo interessante problema di integrità del segnale che coinvolge gli amplificatori di potenza RF.

Dove posizionare l'ADC

ADC è dove il segnale analogico si collega con il mondo digitale, quindi questa parte deve essere posizionata con attenzione perché conterrà la parte digitale. Gli ADC discreti sono posizionati meglio all'incirca lungo il confine tra le parti digitali e analogiche. Infatti, questo può essere l'unico modo accettabile per creare un'interfaccia in un sistema a segnale misto con un piano di terra separato, perché il piano di terra sul chip di silicio può fornire un piano di riferimento per i segnali di ingresso/uscita. Tuttavia, se si utilizza un piano di terra uniforme, il posizionamento dell'ADC e la schermatura fornita dal piano di terra avranno più flessibilità.

Guida al layout analogico del PCB

Il cablaggio nel PCB analogico serve a garantire che il segnale analogico inviato lungo l'interconnessione non sia significativamente distorto sul lato ricevitore dell'interconnessione. Quando si utilizza un PCB analogico, il conteggio netto di solito è molto inferiore rispetto a un PCB digitale, quindi è possibile provare alcuni possibili layout il prima possibile fino a trovare una planimetria risolvibile. Ecco alcune guide:

Lunghezza della traccia: In generale, cerca di mantenere le tracce nel PCB analogico il più breve e dritto possibile. Questo è molto importante come la frequenza del segnale aumenta. Oltre alla perdita, dobbiamo anche prestare attenzione alla lunghezza critica del segnale.

Minimizzare l'uso di vias: Ogni via aumenta la perdita di parametri S di interconnessione, quindi è meglio ridurre al minimo queste perdite ed eseguire solo le conversioni di livello necessarie quando possibile. Per quelli attraverso i fori che ancora esistono, possono generare forti radiazioni come un'antenna

Ci sono molti problemi da considerare nel layout PCB analogico, ma gli strumenti di progettazione giusti e il software di progettazione basato su regole ti aiuteranno a implementare le linee guida necessarie per mantenere il sistema analogico privo di rumore e garantire l'integrità segnale/potenza.