1.6.1 Разводка платы с сигма-дельта-преобразователем

Кристалл прецизионного сигма-дельта-преобразователя представляет собой преимущественно цифровое устройство. Когда этот тип преобразователя только начал выпускаться, правила разводки платы с таким устройством требовали от пользователя разделения цифрового и аналогового сигналов с использованием отдельных слоев печатной платы. Как и АЦП последовательного приближения, эти преобразователи могут выпускаться с несколькими выводами аналоговой и цифровой земли и питания.

Для сигма-дельта-преобразователей с высоким разрешением при скорости передачи данных в 10 Гц тактовая частота (внутренняя или внешняя) устройства должна быть порядка 10 или 20 МГц. В схеме с сигма-дельта АЦП, как и с преобразователями последовательного приближения, нужно соединять выводы AGND и DGND вместе в одном и том же земляном слое. Кроме того, следует соединять аналоговый и цифровой выводы питания микросхемы вместе, желательно в одном и том же слое питания.

Требования к проектированию слоев питания аналоговых и цифровых блоков для сигма-дель­та-преобразователей такие же, как и для АЦП последовательного приближения с высоким разрешением. Здесь обязательным условием является использование слоя земли, а это озна­чает, что проектируемая плата должна быть как минимум двухслойной, причём на такой двусторонней плате слой земли должен занимать как минимум 75% пло­щади, а то и больше. Количество разрывов в этом слое должно быть сведено к ми­нимуму. Отдельный слой должен кардинально снизить сопротивление и индук­тивность заземления так, чтобы можно было обеспечить надёжное экранирова­ние от электромагнитных и радиочастотных помех. Если нужны межсоединения на стороне платы, где размещается слой земли, то их нужно делать максимально короткими и располагать перпендикулярно к направлениям протекания обрат­ных токов по земле.

При использовании АЦП с низким разрешением (6, 8 или 10 бит) можно обойтись без раздельного подключения аналоговых и цифровых выводов, но как только разрешение/точность преобразователя возрастает, требования к разводке становятся более строгими.

Для обоих типов АЦП (сигма-дельта и последователь­ного преобразования с высоким разрешением) выводы питания нужно соединять непосредственно с малошумящими шинами (слоями) аналогового питания и земли.

1.7 Разводка двухслойных печатных плат

Высокая конкуренция на рынке электронных изделий объективно требует от разработчика применения двухслойных печатных плат. Хотя многослойная плата (4-, 6- и 8-слойная) позволяет разработчику создавать лучшие решения с точки зрения размеров, шумов и рабочих характеристик, финансовые соображения за­ставляют пересмотреть методы разработки в пользу двухслойных плат. Далее обсудим правильное и неправильное применение автома­тической трассировки, концепцию выбора дорожек обратных токов с использо­ванием слоев земли и без них, а также рекомендации по размещению компонен­тов на двухслойных печатных платах.

1.7.1 Автоматическая трассировка

Очень заманчиво при разводке ПП использовать автоматическую трассировку. В большинстве случаев несложные цифровые платы, особенно с не­высоким быстродействием и низкой плотностью монтажа, разработанные таким методом, работают хорошо. Если же развести плату, где при­сутствуют аналоговые, смешанные сигналы или высокоскоростные цепи, ис­пользуя опции автотрассировки программных пакетов, то не исключено, что с та­кой платой могут возникнуть серьёзные проблемы, причём вероятность их воз­никновения весьма высока.

На рис. ПБ13 показана верхняя и нижняя сторона двухслойной печатной платы, разве­дённая методом автотрассировки, а принципиальная схема устройства, размещённого на плате, — на рис. ПБ14 и ПБ15.

При таком методе трассировки возникают проблемы, связанные с выбором схемы заземления. Проследив шины земли на верхней стороне платы, можно увидеть, что они подходят к каждому компоненту на плате.

Рисунок ПБ13

Верхняя и нижняя сторона платы, выполненная путем автотрассировки,

для принципиальной схемы, показанной на рис.ПБ14 и ПБ15

Рисунок ПБ 14

Цифровая часть схемы, разводка которой показана на рис. ПБ 13 и ПБ 16

Рисунок ПБ 15

Аналоговая часть схемы, разводка которой показана на рис. ПБ 13 и рис. ПБ 16

На нижней стороне платы к компонентам также подходят земпяные шины, которые соединены с такими же земляными шинами на верхней стороне при помощи переходных отверстий в дальней правой части платы. В результате такой разводке на земляном слое платы появилось несколько замкнутых контуров. Кроме того, расположенные горизонтально сигнальные линии прерывают дорожки обратных токов земляного слоя на нижней стороне платы.

Единственным положительным моментом является то, что аналоговые устройства (12-битный преобразователь и источник опорного напряжения 2,5 В) расположены далеко справа на плате, поэтому сигналы, попадающие на цифровую землю, не будут проходить возле этих микросхем.

На рис. ПБ16 представлен результат ручной развдки схем, представленных на рис. ПБ14 и ПБ15.

При выполнении трассировки этой аналого-цифровой схемы компоненты размещались на плате вручную с целью разделения цифровых и аналоговых частей. При такой ручной трассировке применялось несколько полезных общих пра­вил, что и дало положительные результаты. Вот эти правила:

1. В качестве пути для обратных токов по максимуму используйте земляной слой.

2. Разделите слои аналоговой и цифровой земли.

3. Если необходимо выполнить разрывы сигнальных проводников на стороне земляного слоя, то нужно делать их вертикальными, чтобы избежать помех от обратных токов по земляному слою.

4. Размещайте аналоговые цепи в дальнем конце платы, а цифровые цепи как можно ближе к разъёмам питания. Это уменьшит эффект, связанный с изме­нением токов, при переключении цифровых схем.

Обратите внимание, что на каждой из приведенных топологий двухслойных плат земляной слой размещён на нижней стороне. Это сделано лишь для того, чтобы инженер, рабо­тающий с платой, мог быстро посмотреть трассировку при возникновении про­блем.

В промышленных платах земляной слой чаще всего размещается на верхней стороне печатной платы, чтобы уменьшить влияние электромагнитных помех. Основной причиной использования земляного слоя является его низкий импеданс. К тому же, эта технология спо­собствует уменьшению уровня электромагнитных помех.