Введение: разочаровывающий опыт отладки ошибок

В прошлом году, в рамках проекта, 16-битный ADC получал данные датчиков. измеренный шум был чрезвычайно высоким, с SNR почти на 15 дБ ниже теоретического значения. после проверки всего,- У нас была хорошая развязка питания., источник эталонного напряжения был стабилен, и вокруг ADC были добавлены достаточные декоплинговые конденсаторы.Проблема была обнаружена в незаметном месте ∙ через была использована для аналоговой линии ввода сигнала, и он был перемещен во внутренний слой.

В то время эта линия находилась менее чем в 3 мм от линии цифровых часов. После перепроектирования, помещение всех аналоговых сигналов на верхний слой сразу же решило проблему.Этот опыт был довольно болезненным и дал мне более глубокое понимание темы "аналоговых сигнальных линий. "

На самом деле эта проблема довольно распространена. Многие инженеры имеют поляризованное отношение к проводам при проектировании ПХБ: либо они боятся их использовать, желая направить все следы на один и тот же слой;или они используют их небрежноОбе крайности могут привести к проблемам.

Какое влияние имеют проводники на аналоговые сигналы?

Чтобы понять, когда использовать провода, а когда нет, мы должны сначала понять, что провода делают с аналоговыми сигналами.Это по существу структура с паразитарной индуктивностью и емкостью.

Проходный отверстий диаметром 0,3 мм имеет паразитарную индуктивность приблизительно 0,5 ~ 1,2 nH и паразитарную емкость 0,3 ~ 0,8 pF. Эти значения кажутся небольшими,Но их влияние на аналоговые сигналы может быть намного больше, чем вы можете себе представить..

Влияние паразитарной индуктивности
Паразитарная индуктивность взаимодействует с емкостью на пути сигнала для создания эффекта фильтрации LC, что приводит к ослаблению высокочастотных компонентов.Этот эффект значителен для высокочастотных аналоговых сигналов (таких как RF front-ends)По моему опыту, при частотах выше 500 МГц, потеря вставки одного канала может достигать 0,2 ~ 0,5 дБ.

Более проблематичным является то, что индуктивность замедляет рост и падение краев сигнала. Для высокоскоростных аналоговых сигналов это приводит к потере полосы пропускания.замедленный край напрямую вводит дрожь, влияющие на SNR ADC.

Влияние паразитарной емкости

Паразитарная емкость является более коварной. емкость формируется между пропускной панелью и базовой плоскостью, которая применяется к сигнальной линии, вызывая падение импеданса.Для узлов с высоким импедансом (таких как входный оп-ампер), эта емкость образует разделитель напряжения с импеданцией источника, что приводит к ослаблению сигнала.

[Исследование случая] В точной схеме измерения, входной импеданс оп-ампера составляет 1MΩ, а паразитарная емкость через 0,5pF. При 100 кГц импеданс конденсатора составляет приблизительно 3,2MΩ,и эффект не значительныйОднако при 10 МГц импеданс конденсатора падает до 32 кОм, и сигнал ослабляется в 30 раз!

Эффект "стаб" - ловушка, которую не замечают
Если канал не используется полностью (например, от L1 до L3, но канал проходит через всю доску), нижняя половина пути становится "стубом". Этот стуб действует как антенна,резонирующие на определенной частоте.

Формула для расчета резонансной частоты: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

где L - длина стуба, а Dk_eff - эффективная диэлектрическая постоянная. Потеря вставки резко увеличивается, когда длина стуба достигает четверти длины волны.Четырехслойная доска толщиной 6 ммОднако, если доска толще или стуб длиннее, резонансная частота будет ниже, что повлияет на высокочастотные аналоговые сигналы.

В случае, если частота аналогового сигнала падает близко к резонансной точке, сигнал может упасть.последствия могут быть серьезными.

Путь возвращения нарушен

Это самая большая скрытая опасность аналоговых сигнальных каналов. когда сигнал меняет слои, обратный ток также меняет слои. если сигнал меняется с L1 на L3, обратный ток,который первоначально тек на земной плоскости L2, теперь нужно найти путь обратно к соответствующей земле плоскости L3.

Без соответствующих заземляющих каналов возвратный ток должен пройти более длинный путь, образуя большую петлю тока.Для слабых аналоговых сигналовЭто смертельно.

Когда можно использовать виа?

После обсуждения стольких рисков, означает ли это, что аналоговые сигналы вообще не могут использовать провода?

Низкочастотные аналоговые сигналы могут использовать провода.

Аналоговые сигналы с частотами ниже 10 МГц не очень чувствительны к паразитарным параметрам vias.и низкоскоростные датчики сигналов могут безопасно использовать каналы для переключения слояТолько осторожно, чтобы не использовать слишком много.

Лично я считаю, что влияние жидкостей на постоянный ток и низкочастотные сигналы незначительно, если ваш сигнал не очень слаб (в микровольтном диапазоне), не беспокойтесь слишком много.

Электрические и наземные линии должны использовать провода.

Использование каналов для питания и наземных линий необходимо, и вы должны использовать много.Эквивалентная индуктивность уменьшается при параллельных соединениях.

Для мощных каналов рекомендуется использовать по крайней мере 2-3 канала для тока 1 А. Для применения высокого тока требуется больше каналов (например, входных модулей питания); не экономить пространство.

Посещения могут быть использованы, когда существует соответствующий путь возвращения.

Если наземная линия расположена рядом с сигналом через, и наземная линия находится очень близко к сигналу через (в идеале менее 100 миль), путь возвращения завершен.влияние каналов на аналоговые сигналы значительно уменьшается.

В частности, каждый раз, когда сигнал через слой меняется, поместите наземный через рядом с ним, чтобы соединить наземные плоскости старых и новых слоев.Лучше поместить почву между двумя сигнальными путями..

Могут использоваться слепые или зарытые проходы.

Слепые проходы соединяют только внешний слой с внутренним слоем, а погребенные проходы соединяют только внутренний слой; их паразитарные параметры намного меньше, чем у проходных проходов.Слепые и погребенные проемы не создают длинные косточки., что делает их гораздо более дружелюбными к высокочастотным сигналам.

Если это позволяет стоимость, для высокоточных и высокочастотных аналоговых схем предпочтительнее использовать слепые или закопанные каналы.Слепые и похороненные проходы почти стандартны..

Когда нельзя использовать виа?

В некоторых случаях лучше избегать проводов для аналоговых сигнальных линий или быть крайне осторожными.

Аналоговые сигналы высокой точности требуют осторожности.

Для 16-битных и более высоких ADC/DAC или систем с требованием соотношения сигнал-шум более 80 дБ аналоговый путь сигнала должен быть максимально чистым.Паразитарные параметры, введенные через каналы, могут привести к увеличению ошибок квантования и ухудшению INL / DNL.

[Пример] 24-битная система сбора данных была разработана с теоретическим SNR 112dB. Фактические испытания показали только 95dB. После исследования было установлено, что аналоговые входные линии имели каналы,и резонансная точка стуба упала прямо на краю полосы пропускания сигналаПосле изменения маршрутизации на тот же уровень, SNR улучшился до 108 дБ.

Будьте осторожны с высокочастотными аналоговыми сигналами.

Для аналоговых сигналов, превышающих 100 МГц (RF, высокоскоростные часы), паразитическая индуктивность каналов может стать узким горлом.что приводит к размышлениям.

Для переключения слоев радиочастотного сигнала лучше всего использовать специально разработанные конструкции, в сочетании с оптимизацией антипады и заземлением через ограждение.Простое размещение обычных виа прямо приведет к плохой VSWR.

Не помещайте прокладки ниже чувствительных аналоговых участков.

Избегайте размещения несвязанных каналов вблизи чувствительных цепей, таких как кристаллические осцилляторы, фазовые петли, источники эталонного напряжения и узлы ввода с высоким импедансом.Проходы могут нарушить целостность земной плоскости и "направлять" шум из других слоев.

Примечание: особенно для цифровых сигнальных проводов никогда не пропускайте через аналоговые области цепи.По моему опытуЦифровые микроскопы должны находиться на расстоянии не менее 10 мм от чувствительных аналоговых схем.

Будьте осторожны, когда наземный план прерывается.

Если провода плотно заполнены, создавая большое окно (анти-клапан) на земной плоскости, непрерывность земной плоскости нарушена.

Эта проблема особенно серьезна на ПКБ с смешанным сигналом. Если аналоговая наземная плоскость прерывается проводами, цифровой шум может проникать в аналоговую область через пути сцепления.

Практические соображения по дизайну

Понимая эти принципы и условия, как нам следует действовать при проектировании?

Планируйте свою стратегию маршрутизации, чтобы минимизировать изменения уровня.

Лучшие каналы - это те, которые не пробурены. Во время фазы размещения четко определите маршрут маршрутизации и постарайтесь убедиться, что критические аналоговые сигналы завершаются на одном слое.Если смена слоя абсолютно необходима, в первую очередь менять его вблизи штифов чипа, и избегать внезапного бурения проемов на полпути через след.

Оптимизировать через параметры

Если необходимы проходы, оптимизируйте их до крайности:

• Наименьший по диаметру:0.2 мм или меньше, что приводит к снижению паразитарных параметров.
• Соответствующее увеличение антиподкладки:Стандартный - 10 миллиметров, высокоскоростной сигнал можно увеличить до 20-30 миллиметров.
• Упаковки не должны быть слишком большими:Чрезмерно большие подушки увеличивают паразитарную емкость и занимают место.

Совпадение путей возвращения

Если сигнал меняется с L1 на L3, и земная плоскость находится на L2,затем наземной через должен быть размещен рядом с сигналом через, чтобы соединить основания L2 и L3.

Наземный провод должен быть как можно ближе к сигналу через; в пределах 100 миллиметров безопасный диапазон.

Аналогово-цифровое разделение и изоляция

Для печатных плат с смешанным сигналом аналоговые и цифровые области должны быть физически изолированы.Не позволяйте цифровым каналам "пройти через аналоговую область".

Если присутствуют устройства смешанного сигнала, такие как ADC/DAC, поместите каналы вблизи устройств, чтобы предотвратить перемещение аналоговых сигналов на большие расстояния через цифровую область.

Проверка моделирования:

Для высокоскоростных, высокоточных конструкций не полагайтесь только на опыт. Используйте инструменты моделирования SI для проверки импиданса, отражения и потери вставки vias.Симуляция покажет это сразу..

Общие заблуждения разъяснены:

• "Лучше меньше путей"

Не совсем верно. Сигнальные каналы действительно должны быть меньше, но энергетические и наземные каналы должны быть больше.

• "Аналоговое поле должно быть отделено от цифрового"

Не совсем. Простые системы часто выигрывают от единой наземной плоскости. Сложные системы требуют разделения, и даже тогда необходимы одноточечные соединения.

• "Слепые прокладки слишком дороги и ненужны"

Для 24-разрядных ADC и частот ГГц, слепые провода являются выгодными инвестициями. Для обычных приложений они действительно не нужны.

Резюме:

Можно ли использовать аналоговые сигнальные линии через провода? Ответ: это зависит. Низкие частоты не чувствительны, поэтому можно использовать провода; высокая точность требует осторожности, поэтому избегайте проводов, если это возможно;высокие частоты требуют специальной обработкиОсновными принципами являются:

• По возможности избегайте проходных путей;

Хорошо спланируйте стратегию маршрутизации, чтобы уменьшить изменения слоев.

• Если вы должны использовать виа, используйте их хорошо;

Оптимизируйте через диаметр, анти-клапаны, и используйте совпадающие обратные каналы.

• Обход чувствительных сигналов;

Проводка высокоточных высокочастотных аналоговых сигналов в верхний слой, чтобы избежать задержек.

• Разделять аналоговые и цифровые сигналы;

Не пересекайте зоны с проходами, чтобы избежать шума.

• симулировать и проверять;

Не полагайтесь только на опыт для высокоскоростных, высокоточных конструкций.

Хотя провода маленькие, есть чему поучиться. и аналоговые сигнальные провода не станут ловушками в ваших проектах. надеюсь этот опыт будет полезен.