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I convertitori analogici (A/D) sono derivati da paradigmi analogici in cui gran parte del silicio fisico è analogico. Con lo sviluppo di nuove topologie progettuali, il paradigma si è evoluto per includere il digitale come componente dominante nei convertitori A/D a bassa velocità. Nonostante il passaggio dalla dominanza analogica a digitale nei convertitori A/D, i criteri di cablaggio della scheda PCB rimangono invariati. Quando i progettisti di cablaggio progettano circuiti a segnale misto, è ancora necessaria una conoscenza critica del cablaggio per un cablaggio efficace. In questo articolo, i convertitori A/D con successivo tipo di approssimazione e convertitori A/D tipo â ՖՖ³ sono presi come esempi per discutere la strategia di routing PCB richiesta dai convertitori A/D.
I convertitori A/D di approssimazione successivi hanno risoluzioni a 8 bit, 10 bit, 12 bit, 16 bit e 18 bit. Inizialmente, il processo e la costruzione di questi convertitori erano bipolari con reti di resistenza trapezoidale r-2R. Recentemente, tuttavia, questi dispositivi sono stati trapiantati nei processi CMOS utilizzando la topologia di distribuzione della carica capacitiva. Ovviamente, questa migrazione non cambia la strategia di routing del sistema per questi convertitori. Ad eccezione dei dispositivi ad alta risoluzione, il metodo di cablaggio di base è coerente. Per questi dispositivi, è necessario prestare particolare attenzione per evitare il feedback digitale dalle interfacce di uscita seriale o parallela del convertitore.
Il convertitore utilizza una distribuzione di carica formata da una serie di condensatori.
In questo diagramma a blocchi, il campionatore/hold, il comparatore, la maggior parte del convertitore digitale-analogico (DAC) e il convertitore A/D successivo di approssimazione a 12 bit sono analogici. Il resto del circuito è digitale. Pertanto, la maggior parte dell'energia e della corrente necessarie per questo convertitore viene utilizzata nei circuiti analogici interni. Il dispositivo richiede pochissima corrente digitale, con solo pochi interruttori che si verificano con il convertitore D/A e l'interfaccia digitale.
Questi tipi di convertitori possono avere più pin di connessione a terra e di alimentazione. I nomi dei pin sono spesso fuorvianti perché le etichette dei pin possono essere utilizzate per distinguere connessioni analogiche e digitali. Queste etichette non hanno lo scopo di descrivere il collegamento del sistema al PCB, ma di determinare come corrente digitale e analogica fuoriesce dal chip. Conoscendo queste informazioni, e sapendo che le risorse primarie consumate su un chip sono analogiche, ha senso collegare potenza e pin di terra sullo stesso piano, come il piano analogico.
Per questi dispositivi, dal chip vengono solitamente richiamati due perni di terra: AGND e DGND. L'alimentatore ha un perno di piombo. Quando si implementa il cablaggio PCB con questi chip, AGND e DGND dovrebbero essere collegati al piano di terra analogico. I pin di alimentazione analogici e digitali dovrebbero anche essere collegati al piano di alimentazione analogico o almeno alla guida di alimentazione analogica e la capacità di bypass appropriata dovrebbe essere collegata il più vicino possibile a ciascun pin di alimentazione. Dispositivi come MCP3201 hanno solo un perno di massa e un perno di alimentazione positivo a causa della limitazione del numero di pin del pacchetto. Tuttavia, l'isolamento aumenta la probabilità che il convertitore sia buono e ripetibile. Per tutti questi convertitori, la strategia di alimentazione dovrebbe essere quella di collegare tutti i pin di alimentazione a terra, positivi e negativi al piano analogico. Inoltre, i pin 'COM' o 'IN' associati al segnale di ingresso dovrebbero essere collegati il più vicino possibile al segnale.
Per i convertitori A/D successivi di tipo approssimativo ad alta risoluzione (convertitori a 16 e 18 bit), è necessaria ulteriore cura per isolare il rumore digitale dai convertitori analogici "silenziosi" e dal piano di potenza. Quando questi dispositivi si interfacciano con il microcomputer singolo chip, dovrebbero essere utilizzati buffer digitali esterni per ottenere un funzionamento silenzioso. Sebbene questi tipi di convertitori A/D successivi di approssimazione abbiano solitamente un doppio buffer interno sul lato dell'uscita digitale, un buffer esterno viene utilizzato per isolare ulteriormente il circuito analogico nel convertitore dal rumore del bus digitale.
Per i convertitori di tipo A/D successivi di approssimazione ad alta risoluzione, l'alimentazione e la messa a terra del convertitore dovrebbero essere collegati al piano analogico. L'uscita digitale del convertitore A/D dovrebbe quindi essere bufferata utilizzando un buffer esterno di uscita tri-stato. Oltre alla loro elevata capacità di azionamento, questi buffer hanno la funzione di isolare i lati analogici e digitali. Per i convertitori di tipo A/D successivi di approssimazione ad alta risoluzione, l'alimentazione e la messa a terra del convertitore dovrebbero essere collegati al piano analogico. L'uscita digitale del convertitore A/D dovrebbe quindi essere bufferata utilizzando un buffer esterno di uscita tri-stato. Oltre alla loro elevata capacità di azionamento, questi buffer hanno la funzione di isolare i lati analogici e digitali.
Strategia di cablaggio per convertitore di tipo A/D alto
L'area siliconica dei convertitori di tipo A/D ad alto â ՖՖ³ è principalmente digitale. Nei primi giorni dei convertitori, il cambiamento di paradigma incoraggiava gli utenti a utilizzare piani PCB per separare il rumore digitale dal rumore analogico. Come per i convertitori A/D successivi di approssimazione, questi tipi di convertitori A/D possono avere più pin analogici, digitali e di alimentazione. I progettisti digitali o analogici generalmente preferiscono separare questi pin e collegarli a piani diversi. Tuttavia, questa tendenza è un errore, soprattutto quando si sta cercando di risolvere il grave problema del rumore dei dispositivi da 16 a 24 bit.
Per un convertitore A/D di tipo A/D ad alta risoluzione con frequenza dati A 10Hz, il clock (clock interno o esterno) aggiunto al convertitore può essere 10MHz o 20MHz. Questo orologio ad alta frequenza viene utilizzato per accendere e spegnere il modulatore e far funzionare il motore di sovracampionamento. Per questi circuiti, i pin AGND e DGND sono collegati tra loro sullo stesso piano di terra dei convertitori A/D successivi di approssimazione. Inoltre, i pin di alimentazione analogici e digitali sono collegati insieme sullo stesso piano. I requisiti per i piani di potenza analogici e digitali sono gli stessi dei convertitori A/D successivi di approssimazione ad alta risoluzione.
Ci deve essere una planimetria, il che significa almeno due pannelli. Su questo doppio pannello, la planimetria dovrebbe coprire almeno il 75% dell'intera superficie del pavimento. Lo scopo dello strato del piano di terra è quello di ridurre l'impedenza di messa a terra e la reattività induttiva e di fornire schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) e le interferenze di radiofrequenza (RFI). Se è richiesto un cablaggio di collegamento interno sul lato piano di terra della scheda, il cablaggio dovrebbe essere il più corto possibile e perpendicolare al circuito di corrente di terra.
Conclusione
Per i convertitori A/D bassi, come i convertitori A/D a sei bit, otto bit o forse anche dieci bit, è ok mantenere i pin analogici e digitali non separati. Ma man mano che la scelta di convertitori e risoluzioni aumenta, i requisiti di cablaggio diventano più rigorosi. I convertitori A/D successivi di approssimazione ad alta risoluzione e i convertitori A/D â ՖՖ³ devono essere collegati direttamente al terreno analogico a basso rumore e al piano di potenza.
