10 (Для лаб по платам), страница 4

Graham, High Speed Digital Design, Prentice Hall, 1993.17aЗАЗЕМЛЕНИЕ В СИСТЕМАХ СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИУолт Кестер, Джеймс Брайант, Майк БирнСовременные системы обработки данных обычно содержат в себе устройства сосмешанными сигналами (mixed-signal devices), такие как аналого-цифровыепреобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), а такжебыстродействующие цифровые сигнальные процессоры (DSP). Обработка аналоговыхсигналов требует большого динамического диапазона, поэтому возрастает рольвысокопроизводительных ЦАП и АЦП. Обеспечение широкого динамического диапазонас низкими шумами во враждебном цифровом окружении возможно только прииспользовании эффективных приемов проектирования высокоскоростных схем,включающих в себя технически грамотную трассировку сигнала, развязку и заземление.В прошлом "высокоточные низкоскоростные" схемы обычно рассматривались отдельно оттак называемых "высокоскоростных" схем.

В том, что касается АЦП и ЦАП, частотаотсчетов (или обновления на выходе) обычно рассматривалась как критерий скоростиработы схемы. Однако следующие два примера показывают, что на практике большинствосовременных ИС обработки сигналов являются "высокоскоростными" и поэтому должнырассматриваться как таковые для достижения хороших результатов. Это касаетсяцифровых сигнальных процессоров (DSP), АЦП и ЦАП.Все АЦП выборки (АЦП со схемой выборки-запоминания), используемые в системахобработки сигналов, работают с достаточно высокоскоростными генераторами тактовыхимпульсов с малым временем нарастания и спада (обычно несколько наносекунд) идолжны рассматриваться как высокоскоростные устройства, даже если ихпроизводительность (частота отсчетов) представляется невысокой.

Например, 12разрядный АЦП последовательного приближения (SAR) типа AD7892 работает привнутренней тактовой частоте 8 MГц, тогда как его частота отсчетов составляет только600 кГц.Для сигма-дельта (Σ-∆) АЦП также требуется высокочастотный тактовый генератор, т.к.такие АЦП имеют высокий коэффициент передискретизации. 16-разрядный АЦП AD7722имеет частоту обновления на выходе (эффективную частоту отсчетов), равную 195 кГц, нов действительности производит выборку с частотой 12.5 МГц (в 64 раза выше).

Даже такназываемые низкочастотные сигма-дельта (Σ-∆) АЦП промышленного назначения свысоким разрешением (имеющие частоту обновления на выходе от 10 Гц до 7.5 кГц)работают при тактовой частоте 5 МГц или выше и обеспечивают 24-разрядное разрешение(например, микросхемы фирмы Analog Devices типа AD7730 и AD7731).Еще более осложняет вопрос то, что ИС со смешанными сигналами содержит каканалоговую, так и цифровую части, и поэтому многие возникающие проблемы связаныс неправильным заземлением. К тому же некоторые ИС со смешанными сигналами имеютотносительно низкие цифровые токи, в то время как у других они велики. Во многихслучаях с точки зрения оптимального заземления эти два варианта должнырассматриваться отдельно.Проектировщики цифровых и аналоговых устройств склонны рассматривать устройствасо смешанными сигналами с различных позиций, и цель этой главы – разработать общуюфилософию заземления, которая будет работать в большинстве устройств со смешаннымисигналами, без необходимости изучения специфических деталей их внутреннегоустройства.18aПОВЕРХНОСТИ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ПИТАНИЯОбеспечение низкоимпедансных заземляющих поверхностей большой площади оченьважно для всех современных аналоговых схем.

Заземляющая поверхность действует нетолько как низкоимпедансный обратный тракт для развязки высокочастотных токов(вызванных работой скоростных цифровых схем), но также минимизируетэлектромагнитные радиочастотные (EMI/RFI) помехи. Благодаря экранирующемудействию заземляющей поверхности чувствительность устройства ко внешним помехамтакже уменьшается.Заземляющие поверхности также позволяют передавать высокоскоростные цифровые ианалоговые сигналы с использованием технологий линий передач (полосковую илимикрополосковую), там, где требуется получить определенное характеристическоесопротивление линии.Использование шины-проводника в качестве заземления категорически неприемлемо изза ее импеданса на частоте, соответствующей скорости переключения большинствалогических схем. Например провод калибра 22 стандарта AWG (American Wire Gauge),что соответствует диаметру 0,64 мм, обладает индуктивностью около 20 нГн/дюйм.Проходящий по этому проводу ток, вызванный логическим сигналом и имеющий скоростьнарастания 10 мА/нс, будет создавать импульс напряжения величиной в 200 мВ на 1 дюймпровода:∆v = L∆i10m A= 20nH ×= 200m V .∆tnsДля сигналов, имеющих размах 2 В, это означает ошибку около 200 мВ или 10% (точностьприблизительно 3.5 разряда).

Даже в полностью цифровых схемах эта ошибка будетозначать значительное уменьшение запаса помехоустойчивости.Рис. 10.13 иллюстрирует ситуацию, когда цифровой ток, возвращающийся по шине"земли", модулирует аналоговый возвратный ток (верхний рисунок). Индуктивность исопротивление провода, по которому течет обратный ток, являются общими дляаналоговой и цифровой схем, это и является причиной взаимодействия и приводит кпомехам. Одно из возможных решений – заставить обратный ток идти прямо к общейточке GND REF, как показано на нижнем рисунке.

Это – иллюстрация фундаментальнойконцепции заземления «звездой» или системы с одной точкой заземления. Реализоватьнастоящее одноточечное заземление в системе, которая содержит большое количествовысокочастотных трактов, сложно, т.к. физическая длина каждого провода, по которомутечет обратный ток, будет вносить паразитное сопротивление и индуктивность, которыемогут сделать затруднительным обеспечение низкоимпедансного заземления для токоввысокой частоты. На практике тракт возвратного тока должен включать в себязаземляющие поверхности большой площади для того, чтобы обеспечить низкоесопротивления для высокочастотных токов.

Таким образом, без низкоимпеданснойзаземляющей поверхности практически невозможно избежать появления общего дляаналоговой и цифровой схем тракта заземления, особенно на высоких частотах.Все выводы заземления микросхем должны соединяться с помощью пайки прямо снизкоимпедансной заземляющей поверхностью с целью минимизироватьпоследовательную индуктивность и сопротивление. Использование традиционныхпанелек (разъемов) для микросхем в высокоскоростных устройствах не рекомендуется.Добавочная индуктивность и емкость даже «низкопрофильных» панелек может привестик нарушению работы схемы из-за появления дополнительных трактов. Если панельки всё19aже должны быть использованы с микросхемой в DIP-корпусе, например, приконструировании прототипа, то имеет смысл использовать «панельку-разъем» илинаборную панельку из отдельных гнезд. Существуют панельки-разъемы со встроеннымразвязывающим конденсатором или без него (по каталогу AMP № 5-330808-3 и 5-3308086).

Они имеют позолоченные пружинные контакты, которые обеспечивают хорошееэлектрическое и механическое соединение с выводами ИС. Однако многократноеиспользование может ухудшить их параметры.Выводы питания должны быть развязаны прямо на заземляющую поверхность с помощьюнизкоиндуктивных керамических конденсаторов для поверхностного монтажа (SMD).Если используется конденсатор для обычного монтажа, то его выводы должны иметьдлину не более 1 мм. Керамические конденсаторы должны быть расположены как можноближе к выводам питания микросхемы. Для дополнительной развязки могут такжепотребоваться ферритовые бусины.ЦИФРОВЫЕ ТОКИ, ПРОХОДЯЩИЕ ПО АНАЛОГОВОМУВОЗВРАТНОМУ ТРАКТУ, СОЗДАЮТ НАПРЯЖЕНИЕ ОШИБКИIDIA+VD+VAАНАЛОГ.СХЕМЫVвхGNDREFНЕПРАВИЛЬНОIDIA + I DIDIA+VD+VAGNDREFЦИФР.СХЕМЫVвхПРАВИЛЬНОАНАЛОГ.СХЕМЫЦИФР.СХЕМЫIAIDРис. 10.13ДВУСТОРОННЯЯ ИЛИ МНОГОСЛОЙНАЯ ПЕЧАТНАЯ ПЛАТАКаждая печатная плата в системе должна иметь хотя бы один слой, полностьюотведенный под заземляющую поверхность.

В идеале двусторонняя плата должна иметьодну сторону, полностью отведенную под заземление и вторую – для различныхсоединений. На практике это невозможно, т.к. частично заземляющая поверхность,разумеется, должна быть удалена для отведения места под дорожки питания и сигналов,межслойные переходы и сквозные монтажные отверстия. Тем не менее как можно большеплощади заземляющей поверхности должно быть сохранено, хотя бы 75% необходимооставить. После окончания предварительной разводки платы поверхность заземления20aдолжна быть аккуратно проверена для того, чтобы убедиться, что не осталосьизолированных "островков" заземления, т.к. выводы заземления микросхем,расположенные на таких островках, не будут иметь связи с заземляющей поверхностью.Также заземляющая поверхность должна быть проверена на предмет слишком тоненькихсоединений между соседними большими площадями, которые могут значительноуменьшить эффективность заземляющей поверхности.

Можно даже и не говорить, что приавтоматической разводке платы обычно возникают неполадки в работе устройства сосмешанными сигналами, поэтому настоятельно рекомендуем доводить плату вручную.Системы, в которых интегральные микросхемы для поверхностного монтажарасположены тесно, будут иметь большое число соединений, поэтому здесь нужноиспользовать многослойные платы. Это позволит хотя бы один слой полностью отвестипод заземление. В простой 4-слойной плате два внутренних слоя обычно используютсядля заземляющей поверхности и поверхности питания, а два внешних слоя – длявыполнения соединений между установленными компонентами.

Расположение питающейи заземляющей поверхностей в соседних слоях обеспечивает дополнительнуюмежповерхностную емкость, которая способствует высокочастотной развязке токапитания. В большинстве систем четырех слоев недостаточно, и требуютсядополнительные слои для трассировки линий сигналов, а также питания.БЕЗ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НЕ ОБОЙТИСЬ!Используйте для заземления (и питания) поверхностибольшой площади, чтобы обеспечить низкоимпедансныйпуть для возвратного тока (Необходимо использовать какминимум двустороннюю плату!)Двусторонние платы:Избегайте многочисленных сквозных соединений имежслойных переходов, из-за которых уменьшаетсяплощадь поверхности заземленияОтводите под заземление не менее 75% площади однойстороны платыМногослойные платы:Отведите как минимум один слой под поверхностьзаземленияОтведите как минимум один слой под поверхностьпитанияИспользуйте по меньшей мере 30 – 40% выводовсоединителя печатной платы для заземленияПродолжайте поверхность заземления на материнскуюплату до источника питанияРис.

10.1421aМНОГОПЛАТНЫЕ СИСТЕМЫ СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИЛучший способ минимизировать импеданс заземления в многоплатной системе –использовать "материнскую плату" в качестве объединительной для организациисоединения между платами, и, кроме того, обеспечить продолжение заземляющейповерхности на общую плату. В соединителе печатной платы хотя бы 30-40% выводовдолжно быть отведено под заземление, и эти выводы должны быть связаны сзаземляющей поверхностью на материнской объединяющей плате. Для окончательногозавершения устройства заземления системы существуют два способа:1. Заземляющая поверхность на объединяющей плате может быть соединена с "землей"монтажной панели (шасси) во многих точках, таким образом равномерно распределяяразличные пути возвратного тока.