Заземление и развязка ис со смешанными сигналами и небольшими цифровыми токами

4.6. Заземление и развязка ис со смешанными сигналами и небольшими цифровыми токами

Чувствительные аналоговые компоненты, такие как усилители и источники опорного напряжения, всегда подключаются и развязываются на аналоговой заземляющей поверхности. АЦП и ЦАП (и другие ИС со смешанными сигналами) с небольшими цифровыми токами обычно должны рассматриваться, как аналоговые компоненты и также заземлены и развязаны на аналоговой заземляющей поверхности. На первый взгляд это может показаться несколько противоречивым, т.к. преобразователь имеет и аналоговый и цифровой интерфейс, и он имеет выводы, обычно обозначенные как аналоговое заземление (AGND) и цифровое заземление (DGND). Схема, показанная на рис. 4.4, поможет разобраться с этим кажущимся затруднением.

Рис. 4.4. Правильное заземление микросхемы со смешанными сигналами с небольшими цифровыми токами

Внутри микросхем, которые имеют как аналоговую, так и цифровую схемы, например АЦП или ЦАП, "земли" обычно разделяются для предотвращения влияния цифровых сигналов на аналоговую часть. На рис.4.4 показана упрощенная модель преобразователя. Проектировщик ИС ничего не может поделать с индуктивностью и сопротивлением соединений, идущих от контактов на кристалле к выводам корпуса ИС, только оставить их как есть. Цифровые токи, имеющие резкие перепады, создают напряжение в точке В, которое неизбежно передается в точку А аналоговой схемы через паразитную емкость С_ПАРАЗ. К тому же неизбежно присутствует паразитная емкость между каждым выводом корпуса ИС, равная приблизительно 0,2 пФ. И задача проектировщика ИС – заставить микросхему работать, несмотря на это. Однако для того, чтобы предотвратить дальнейшее влияние, выводы AGND и DGND должны быть соединены с аналоговой заземляющей поверхностью кратчайшим путем. Любое дополнительный импеданс в соединении DGND с "землей" приведет к образованию дополнительного цифрового шума в точке В, что, в свою очередь, наведет дополнительный цифровой шум в аналоговой схеме за счет паразитной емкости. Обратите внимание, что при соединении DGND с цифровой заземляющей поверхностью напряжение шума V_ШУМА будет прикладываться между выводами AGND и DGND, что приведет к неудаче!

Обозначение вывода микросхемы как "DGND" говорит о том, что этот вывод связан с цепью заземления цифровой части ИС. Но это не подразумевает, что этот вывод должен быть соединен с цифровым заземлением системы.

Конечно, такая компоновка может привести к появлению небольшого цифрового шума в аналоговой заземляющей поверхности. Но эти токи обычно достаточно малы, и могут быть минимизированы, если гарантировать минимальную нагрузку на выходе преобразователя (обычно преобразователь проектируется с маломощными выходами). Уменьшение нагрузки на цифровых выходах преобразователя, кроме того, сделает логические переходы сигнала на выходе преобразователя свободными от переходных процессов и минимизирует цифровые токи переключения, и таким образом уменьшит любое возможное влияние на аналоговую часть преобразователя. Вывод питания цифровой части (VD) может быть дополнительно изолирован от источника аналогового питания при помощи высокодобротного дросселя с ферритовой бусиной, как показано на рис.4.4. Внутренние импульсные цифровые токи преобразователя будут идти по небольшому контуру от VD через конденсатор развязки к DGND (этот путь показан на схеме толстой линией). Импульсные цифровые токи, таким образом, не появятся вне контура на аналоговой заземляющей поверхности, а будут циркулировать в контуре. Развязывающий конденсатор на выводе VD должен быть установлен как можно ближе к преобразователю, чтобы минимизировать паразитную индуктивность.

В качестве данных конденсаторов должны быть применены низкоиндуктивные керамические конденсаторы, обычно величиной от 0,01 до 0,1 мкФ.

Всегда полезно подключать буферный регистр к выходу преобразователя (как показано на рис. 4.4) с целью изолировать цифровые цепи преобразователя от шумов, присутствующих на шине данных. Данный регистр также служит для минимизации нагрузки на цифровых выходах преобразователя и действует как экран между этими цифровыми выходами и шиной данных. Даже, несмотря на то, что многие преобразователи имеют входы/выходы с тремя состояниями, применение подобного изолирующего регистра остается оправданным. В некоторых случаях для обеспечения большей развязки может быть желательным добавление еще одного буферного регистра на аналоговой заземляющей поверхности после выхода преобразователя.

Последовательно включенный резистор (обозначенный символом R на рис. 4.4) между выходом АЦП и входом буферного регистра помогает минимизировать цифровые импульсные токи, которые могут повлиять на качество работы преобразователя. Этот резистор изолирует драйвер цифрового выхода преобразователя от входной емкости буферного регистра. Кроме того, RC-цепочка, образуемая резистором R и входной емкостью буферного регистра, действует как фильтр низкой частоты и таким образом сглаживает резкие фронты.

Рекомендуемые материалы

Типичный логический элемент КМОП в сочетании с дорожкой печатной платы и сквозным переходом образует емкостную нагрузку величиной около 10 пФ. Скорость переключения логического выхода величиной 1 В/нс вызовет импульс тока в 10 мА, если здесь не будет изолирующего резистора:

.                                (4.2)

Последовательно включенный резистор сопротивлением 500 Ом уменьшит данный выходной ток и в результате увеличит время нарастания и спада импульса до приблизительно 11 нс, если входная емкость регистра будет равна 10 пФ:

tr = 2,2 × τ = 2,2 × R·C = 2,2 × 500 Ом × 10 пФ = 11 нс . (4.3)

Регистров ТТЛ желательно избегать, они могут заметно увеличить динамические токи переключения, так как имеют большую входную емкость.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 4.1. Причины возникновения периодических несинусоидальных ЭДС, токов и напряжений.

Буферный регистр и другие цифровые схемы должны быть заземлены и развязаны на цифровой заземляющей поверхности печатной платы. Обратите внимание, что любой шумовой сигнал между аналоговой и цифровой заземляющими поверхностями уменьшает запас помехоустойчивости цифрового интерфейса преобразователя. Так как запас помехоустойчивости цифровой схемы составляет порядка сотен или тысяч милливольт, это едва ли будет иметь значение. Аналоговая заземляющая поверхность обычно не бывает слишком "шумной", но если шум на цифровой заземляющей поверхности (относительно аналоговой заземляющей поверхности) превышает несколько сотен милливольт, то необходимо предпринять шаги для уменьшения импеданса цифровой заземляющей поверхности, таким образом, обеспечивая приемлемый уровень запаса помехоустойчивости цифровой схемы. Ни при каких условиях напряжение между двумя заземляющими поверхностями не должно превышать 300 мВ, иначе ИС может выйти из строя.

Также весьма желательно наличие отдельных источников питания для аналоговой и цифровой схем. Для питания преобразователя необходим "аналоговый" источник питания. Если преобразователь имеет вывод, обозначенный как вывод питания цифровой части схемы (VD), он должен быть подключен или к отдельному "аналоговому" источнику питания, или подключен через фильтр, как показано на схеме. Все выводы питания преобразователя должны быть развязаны на аналоговой заземляющей поверхности, а все выводы питания цифровых схем должны быть развязаны на цифровой заземляющей поверхности, как показано на рис. 4.5. Если источник "цифрового" питания относительно тихий, он может оказаться вполне пригодным для питания аналоговых схем, но будьте очень внимательны.

Рис.4.5. Точки заземления и развязки.

В некоторых случаях не представляется возможным подключить вывод VD к источнику питания аналоговой части. Некоторые из новейших высокоскоростных ИС могут быть рассчитаны на работу аналоговой части при напряжении питания 5 В, в то время как цифровая часть питается от источника +3 В для того, чтобы быть совместимым с 3-вольтовой логикой. В этом случае вывод питания +3 В микросхемы должен быть развязан непосредственно на аналоговую заземляющую поверхность. Также будет благоразумно включить дроссель на ферритовой бусине последовательно с линией питания, которая подключена к выводу питания +3 В цифровой части ИС.

Схема генератора тактовых импульсов должна рассматриваться как аналоговая схема, также должна быть заземлена и тщательно разведена на аналоговой заземляющей поверхности. Фазовый шум генератора тактовых импульсов приводит к ухудшению отношения сигнал/шум (SNR) системы, как будет вкратце рассмотрено ниже.