10 (Для лаб по платам), страница 7

10.20ВЫВОДЫ: ЗАЗЕМЛЕНИЕ УСТРОЙСТВ СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИИ МАЛЕНЬКИМИ ЦИФРОВЫМИ ТОКАМИ В МНОГОПЛАТНЫХ СИСТЕМАХСхема на рис. 10.21 обобщает ранее описанный подход к заземлению в устройствахсо смешанными сигналами и небольшими цифровыми токами. На аналоговуюзаземляющую поверхность помехи не проникают, т.к. небольшие импульсные цифровыетоки протекают по небольшому контуру между VD, развязывающим конденсатороми DGND (показано жирной линией).Устройство со смешанными сигналами любогоназначения рассматривается как аналоговый компонент.

Шум VN между заземляющимиповерхностями уменьшает запас помехоустойчивости в цифровом интерфейсе, но обычноон не вреден, если поддерживать его на уровне менее 300 мВ с помощьюнизкоимпедансной цифровой заземляющей поверхности на всем пути к точке заземлениясистемы "звездой".Однако устройства со смешанными сигналами, такие как сигма-дельта АЦП, кодекии DSP со встроенными аналоговыми функциями, становятся все более и болеенасыщенными цифровыми схемами.

Вместе с дополнительными цифровыми схемамицифровые токи и шумы становятся больше. Например, сигма-дельта АЦП или ЦАПсодержат сложный цифровой фильтр, который существенно увеличивает цифровой токв устройстве. Метод, который был обсужден ранее, заключался в помещенииразвязывающего конденсатора между VD и DGND с целью удерживать цифровые токизамкнутыми и изолированными в небольшом контуре. Однако если цифровые токидостаточно большие и имеют постоянную или низкочастотную составляющую,развязывающий конденсатор, возможно, должен будет иметь неприемлемо большую31aемкость.

Любой цифровой ток, который протекает вне контура между VD и DGND,вынужден будет проходить через аналоговую заземляющую поверхность. Это можетотрицательно повлиять на работу системы, особенно в системах с высоким разрешением.ЗАЗЕМЛЕНИЕ ИС СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИС НЕБОЛЬШИМИ ВНУТРЕННИМИ ЦИФРОВЫМИ ТОКАМИ:МНОГОПЛАТНАЯ СИСТЕМАVN = ШУМ МЕЖДУ ЗАЗЕМЛЯЮЩИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИVNVAИС V DСОСМЕШАННЫМИСИГНАЛАМИVAАНАЛОГОВЫЕСХЕМЫAGNDAVDФИЛЬТРRБУФЕРНЫЙРЕГИСТРADDЦИФРОВАЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬАНАЛОГОВАЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬК ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯАНАЛОГОВОЙ ЧАСТИЦИФРОВЫЕСХЕМЫDGNDAAШИНАADDК ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯЦИФРОВОЙ ЧАСТИК ТОЧКЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ "ЗВЕЗДОЙ"Рис.

10.21Трудно заранее сказать, какая величина цифрового тока, текущего по аналоговойзаземляющей поверхности, будет неприемлема для системы. Все, что мы можем сделатьв связи с этим – это предложить альтернативный метод заземления, который, возможно,обеспечит лучшую производительность.ВЫВОДЫ: ЗАЗЕМЛЕНИЕ УСТРОЙСТВ СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИС БОЛЬШИМИ ЦИФРОВЫМИ ТОКАМИ В МНОГОПЛАТНОЙ СИСТЕМЕАльтернативный метод заземления для устройств со смешанными сигналами и большимицифровыми токами показан на рис. 10.22. Вывод AGND устройства со смешаннымисигналами связывается с аналоговой заземляющей поверхностью, а вывод DGND этогоустройства связывается с цифровой заземляющей поверхностью.

Цифровые токиизолированы от аналоговой заземляющей поверхности, но шум между двумязаземляющими поверхностями прикладывается прямо между выводами AGND и DGNDустройства. Чтобы этот метод был успешным, аналоговые и цифровые схемы в устройствесо смешанными сигналами должны быть хорошо изолированы. Шум между выводамиAGND и DGND не должен быть настолько большим, чтобы уменьшить запаспомехоустойчивости или вызвать нарушение работы внутренних аналоговых схем.32aЗАЗЕМЛЕНИЕ ИС СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИС НЕБОЛЬШИМИ ВНУТРЕННИМИ ЦИФРОВЫМИ ТОКАМИ:МНОГОПЛАТНАЯ СИСТЕМАVN = ШУМ МЕЖДУ ЗАЗЕМЛЯЮЩИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИVNVAVD*ВСТРЕЧНОПАРАЛЛЕЛЬНЫЕДИОДЫ ШОТКИИЛИ ДРОССЕЛЬС ФЕРРИТОВОЙБУСИНОЙИС V DСОСМЕШАННЫМИСИГНАЛАМИVAАНАЛОГОВЫЕСХЕМЫAGNDAК ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯАНАЛОГОВОЙ ЧАСТИDGNDAD*АНАЛОГОВАЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬAЦИФРОВЫЕСХЕМЫADЦИФРОВАЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬDDК ТОЧКЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ "ЗВЕЗДОЙ"К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯЦИФРОВОЙ ЧАСТИРис.

10.22На рис.10.22 показано место возможного включения встречно-параллельных диодовШоттки или дросселя на ферритовой бусине для соединения аналоговой и цифровойзаземляющих поверхностей. Диоды Шоттки предотвращают появление большихпостоянных напряжений или низкочастотных выбросов напряжения между двумяповерхностями. Эти напряжения могут даже повредить ИС со смешанными сигналами,если они превысят 300 мВ, потому что они появляются непосредственно между выводамиAGND и DGND. Как альтернатива диодам Шотки дроссель на ферритовой бусинкеобеспечивает связь по постоянному току между этими двумя поверхностями, ноизолирует их на частотах выше нескольких мегагерц, на которых дроссель-бусинкаобретает импеданс. Это защищает ИС от появления постоянного напряжения междувыводами AGND и DGND, но связь по постоянному току, обеспечиваемая соединениемс ферритовой бусинкой, может привести к появлению нежелательного контура заземленияпо постоянному току, что может быть неприемлемо для систем высокого разрешения.ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ПРОЦЕССОРОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ (DSP)С ВНУТРЕННИМИ СИСТЕМАМИ ФАПЧКак и при рассмотрении ИС со смешанными сигналами, где просто заземления AGNDи DGND было недостаточно, новые процессоры цифровой обработки сигналов (DSP),такие как ADSP-21160 SHARC со встроенной системой ФАПЧ, увеличивают требованияк проектированию заземления.

Система ФАПЧ ADSP-21160 позволяет внутреннемугенератору ядра (определяющему время выполнения инструкций) работать на частоте в 2,3 или 4 раза (по выбору) превышающей частоту внешнего генератора CLKIN. CLKIN –33aэто частота, на которой работают синхронные внешние порты. Хотя это позволяетиспользовать внешний генератор более низкой частоты, нужно быть внимательным присоединении питания и заземления с внутренней системой ФАПЧ, как показанона рис.10.23.ЗАЗЕМЛЕНИЕ DSP СО ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМОЙФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ (ФАПЧ)+3.3 В10 ОмЭТИ ЦЕПИ ДОЛЖНЫБЫТЬ КАК МОЖНОКОРОЧЕ40VDD INTAVDD0.1 мкФ 0.01 мкФ+2.5 В46VDD EXTФАПЧX1, X2,X3, X4CLKINDSP(ADSP-21160)AGNDGND83ЦИФРОВАЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬРис. 10.23Для предотвращения внутреннего влияния цифровых токов на систему ФАПЧ соединенияФАПЧ с питанием и заземлением производятся отдельно на выводах, отмеченных AVDDи AGND соответственно.

Питание AVDD +2.5 В должно получаться от питания VDD INT+2.5 В при помощи фильтрующей цепочки, как показано. Это обеспечивает сравнительнобесшумное питание внутренней системы ФАПЧ. Вывод AGND системы ФАПЧ долженбыть соединен с цифровой заземляющей поверхностью печатной платы кратчайшимпутем. Развязывающие конденсаторы должны быть помещены также на минимальномрасстоянии между выводами AVDD и AGND.ВЫВОДЫ ПО ЗАЗЕМЛЕНИЮНе существует единого метода заземления, гарантирующего 100% оптимальную работув любом случае. В этом разделе было представлено несколько возможных вариантов,в зависимости от требуемых характеристик отдельных устройств со смешаннымисигналами.

Они все применимы, однако предусматривают много возможных вариантовразводки печатной платы.Обязательно хотя бы один слой платы должен быть отведен под заземляющуюповерхность! Предварительное размещение компонентов нужно делать так, чтобыобеспечивать непересекающиеся аналоговую и цифровую поверхности, а в несколькихместах должны быть предусмотрены контактные площадки и межслойные переходы для34aустановки встречно-параллельных диодов Шоттки или дросселей с ферритовымибусинками, если потребуется. Также должны быть предусмотрены контактные площадкии межслойные переходы, чтобы аналоговая и цифровая поверхности могли быть связанывместе перемычкой если потребуется.Выводы AGND устройств со смешанными сигналами обычно должны быть соединеныс аналоговой заземляющей поверхностью. Исключение из этого правила – цифровыепроцессоры обработки сигналов (DSP), такие как ADSP-21160 SHARC, в которыхимеются внутренние системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Выводзаземления ФАПЧ отмечен как AGND, но должен быть соединен напрямую с цифровойзаземляющей поверхностью для DSP.КРАТКАЯ ФИЛОСОФИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯНе существует единого метода заземления, которыйгарантировал бы 100% результат во всех случаях!Одного и того же результата можно добиться различнымиметодами.Хотя бы один слой на каждой плате ДОЛЖЕН быть отведенпод заземляющую поверхность!Делайте предварительную компоновку так, чтобыаналоговая и цифровая заземляющие поверхностибыли разделены.Предусмотрите на плате контактные площадкии межслойные переходы для встречно-параллельныхдиодов Шоттки или, возможно, дросселей с ферритовымибусинками для соединения заземляющих поверхностейдруг с другом.Предусмотрите устанавливаемые перемычки такимобразом, чтобы выводы DGND устройств со смешаннымисигналами могли быть связаны с выводами AGND (саналоговой заземляющей поверхностью) или с цифровойзаземляющей поверхностью.

(AGND ФАПЧ в DSP должныбыть связаны с цифровой заземляющей поверхностью).Обеспечьте контактные площадки и межслойные переходыдля устанавливаемых перемычек таким образом, чтобыаналоговые и цифровые заземляющие поверхности моглибыть соединены вместе в нескольких точках на каждойплате.Следуйте рекомендациям технических описаний поустройствам со смешанными сигналами.Рис. 10.2435aНЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ПРАВИЛА КОМПОНОВКИ ПЛАТЫ ДЛЯ СИСТЕМСО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИОчевидно, что шум может быть минимизирован при тщательной компоновке устройстваи при минимизации влияния различных сигналов друг на друга.

Аналоговые сигналывысокого и низкого уровней должны быть разделены, и те и другие должны размещатьсяотдельно от цифровых сигналов. Часто бывает, что в системах с преобразованием сигналав цифровую форму и обратно сигнал тактовых импульсов (являющийся цифровымсигналом) так же чувствителен к шуму, как любой аналоговый сигнал, но он в то же времяспособен создавать шум, как и любой цифровой сигнал, поэтому должен быть изолированкак от аналоговых, так и от цифровых систем. Если для выработки тактовых импульсовиспользуется ИС, то только одна частота должна вырабатываться одной ИС. Совмещениетактовых генераторов различной частоты в одной ИС приведет к появлениюдополнительного фазового шума и взаимных помех и ухудшит производительностьсистемы.Заземляющая поверхность может работать как экран, где пересекаются чувствительныесигналы.

На рисунке 10.25 показана хорошая компоновка платы сбора данных, где всечувствительные области изолированы друг от друга и пути сигналов укорочены наскольковозможно. В тех редких случаях, когда в реальности все так же идеально, этот принципдействует.АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ ДОЛЖНЫРАСПОЛАГАТЬСЯ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ РАЗДЕЛЬНОИСТОЧНИКОПОРНОГОНАПРЯЖЕНИЯГЕНЕРАТОРТАКТОВЫХИМПУЛЬСОВСХЕМЫТАКТИРОВАНИЯУПРАВЛЯЮЩАЯЛОГИКААЦПБУФЕРНЫЙРЕГИСТРДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЦИФРОВАЯЧАСТЬАНАЛОГОВАЯ ФИЛЬТРЧАСТЬDSPили µPУСИЛИТЕЛЬПИТАНИЕАНАЛОГОВЫЙ ВХОДМНОГОТОЧЕЧНОЕЗАЗЕМЛЕНИЕ ШИНАДАННЫХРис. 10.2536БУФЕРНАЯПАМЯТЬШИНААДРЕСАМНОГОТОЧЕЧНОЕЗАЗЕМЛЕНИЕaСуществует ряд важных точек, на которые надо обратить внимание при выполнениисоединений питания и сигналов. Во первых, разъем – это одно из мест в системе, где всесигнальные провода должны идти параллельно –значит нужно обязательно перемежать ихс проводами заземления (создать электростатический экран), чтобы уменьшитьвзаимодействие между ними.Множество выводов заземления важно по еще одной причине: они обеспечивают низкоесопротивление заземления в соединении платы устройства с остальной схемой.Контактное сопротивление одного вывода соединителя печатной платы достаточно низкое(порядка 10 мОм) когда плата новая, когда же плата стареет, сопротивление контактовможет увеличиться, и работа платы может быть нарушена.