Самое важное правило: разделяйте землю!

Раздельное заземление аналоговых и цифровых частей системы являет­ся одним из простейших и наиболее эффективных путей снижения шумов. Один или несколько слоев в многослойных платах обычно выделяется для заземления цифровых узлов. Невнимательный разработчик может неосто­рожно соединить с этими слоями аналоговую землю. После этого возвратные токи аналоговых узлов будут протекать по тому же земляному слою, что и возвратные токи цифровых узлов. Это приведёт к катастрофе.

Задним числом разделить землю в готовой смешанной аналоговой и цифровой плате почти невозможно. Для этого пришлось бы каждую точку заземления аналоговой схемы оторвать от платы и соединить с другими точ­ками аналоговой земли. Для плат с поверхностным монтажом это привело бы к огромной мешанине из пассивных компонентов и подвешенных выво­дов ИС.

Другие правила выполнения заземлений

• Из-за действия блокировочных конденсаторов и распределённой ёмкости шины земли и питания имеют одинаковый потенциал по переменному то­ку. По этой причине правила разводки цепей питания такие же, как и для проводников земли.

• Не допускайте перекрытия аналоговых и цифровых проводников.

Шины питания аналоговых узлов должны располагаться над аналоговой землей, а шины питания цифровых узлов — над цифровой землёй. Если произойдёт перекрытие цифровой и аналоговой металлиза­ции, высокочастотные шумы, генерируемые в цифровых узлах, через рас­пределённую ёмкость попадут в аналоговую часть схемы. Такое перекры­тие нарушает разделение аналоговой и цифровой земли.

• Разделение земли не означает, что цифровая земля и аналого­вая земля электрически изолированы друг от друга в системе. Они соеди­няются между собой в некоторой точке, лучше всего в одной, имеющей низкий импеданс.

В системе существует только одна земля — это либо защитное заземление при питании от сети переменного тока, либо земля источника (аккумулятора) при питании от источника постоянного тока. Все токи в системе должны «возвращаться» в эту точку. Было бы правиль­но называть все проводники, не являющиеся землёй, возвратными. Все возвратные проводники должны соединяться в одной точке, которая яв­ляется системной землёй. Такой точкой может быть шасси или корпус си­стемы.

Важно понимать, что при подсоединении земли схемы к несколь­ким точкам корпуса могут образовываться земляные контуры. Обеспече­ние только одной точки заземления на шасси является одним из сложней­ших аспектов разработки системы.

• Если это возможно, разделяйте выводы разъёмов для передачи возврат­ных токов и соединяйте их вместе только в точке системной земли. Старе­ние и многократное использование разъёмов влекут за собой увеличение контактного сопротивления, что диктует необходимость использования для заземления нескольких выводов разъёма. Сложные цифровые платы имеют много слоев и сотни и тысячи соединений. Как правило, всегда можно добавить ещё одно соединение, тогда как увеличить число контак­тов в разъёме всегда проблематично. Если не удаётся выделить дополни­тельный контакт в разъёме, то необходимо создать два проводника воз­вратного тока для каждой силовой цепи на плате, соблюдая особые меры предосторожности.

• Важно располагать проводники цифровых сигналов подальше от анало­говой части схемы. Мало смысла изолировать слои, делать проводники аналоговых сигналов короткими и тщательно размещать пассивные ком­поненты, если проводники с высокоскоростными цифровыми сигналами располагаются рядом с чувствительными аналоговыми цепями. Прово­дники цифровых сигналов должны располагаться как можно дальше от аналоговых узлов и не перекрывать области аналоговой земли и аналого­вого питания. Если этого не сделать, то в конструкции появляется новый элемент (см. рис.) — радиопередающая антенна!

Большинство цифро­вых сигналов являются достаточно высокочастотными, чтобы проникать даже через маленькую паразитную ёмкость между проводниками и соз­давать заметные шумы. Напомним, что проблемы может вызвать не толь­ко основная частота цифровых сигналов, но и её гармоники.

• Лучше всего располагать аналоговые схемы на плате как можно ближе к входным/выходным разъёмам. Разработчики цифровых схем, использу­ющие быстродействующие ИС с большими токами потребления, могут со­блазниться провести к аналоговой схеме дорожку шириной 1 мм и дли­ной несколько сантиметров, полагая, что низкое сопротивление дорожки поможет избавиться от шумов. А на самом деле эта дорожка образует длинный и узкий конденсатор, соединяющий по радиоканалу шумы циф­ровой земли и шины питания с ОУ, делая проблему шумов только хуже!

Хороший пример

Н а рис. показан пример хорошей разводки (топологии) печатной платы.

В этой систе­ме все электронные узлы, включая источник питания, расположены на одной печатной плате. Использованы три отдельных полигона земли и питания: один — для питания, один — для цифровой земли и один — для аналоговой земли. Шины питания и земли цифровой и аналоговой частей системы соеди­няются только в источнике питания. Высокочастотные шумы в проводниках питания ограничены с помощью дросселей. В этом примере разработчик даже расположил низкочастотную аналоговую часть системы вблизи от низкоча­стотной цифровой части, а высокочастотную аналоговую часть поместил вда­ли от высокочастотной цифровой. Это правильно разработанная конструкция, имеющая большие шансы на успех, так как в ней соблюдены правила разводки печатной платы и развязывания различных её цепей.

Характерные исключения

Есть случай, когда аналоговые и цифровые сигналы комбинируются над слоем аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразо­ватели (АЦП и ЦАП) имеют выводы для подключения как аналоговой, так и цифровой земли. На основании предшествовавшего обсуждения можно предположить, что вывод цифровой земли следует соединять с цифровой землёй, а вывод аналоговой земли — с аналоговой землёй. Это, однако, не­верно.

Названия выводов ИС аналоговая земля и цифровая земля указывают только на внутренние соединения в ИС, но не на шины, с которыми они долж­ны быть соединены на печатной плате. Оба этих вывода следует соединять с аналоговой землёй. Можно было бы соединить эти выводы между собой внутри ИС, но при существующих размерах корпусов ИС выполнить такое со­единение с достаточно низким импедансом невозможно. Разработчики ИС возлагают ответственность за обеспечение этого низкоомного соединения на разработчиков печатных плат. В противном случае характеристики преоб­разователя могут оказаться хуже указанных в спецификации.