Jak poprawnie zaprojektować PCB - wskazówki praktyczne, część 3 - realizacja płaszczyzny masy w płytkach drukowanych z układami analogowo-cyfrowymi

Powszechnie panuje przekonanie, że kluczem do dobrego projektu płytki drukowanej z układami mieszanymi jest przede wszystkim podzielenie płaszczyzny masy na dwie części w celu odizolowania mas układów cyfrowych i komponentów analogowych. Chociaż takie rozwiązanie w niektórych wypadkach rzeczywiście się sprawdza, niestety znacznie częściej staje się źródłem dodatkowych problemów.

W najlepszym razie może skutkować skomplikowaniem projektu, zwłaszcza w przypadku płytek o dużej liczbie komponentów i gęstej sieci ścieżek je łączących. W najgorszym wypadku, stosując podział mas, można doprowadzić do znaczącego pogorszenia jakości sygnałów w obrębie PCB oraz do zwiększenia poziomu zaburzeń emitowanych przez urządzenie.

Niechciana antena

Problemy te wynikają stąd, że dzieląc płaszczyznę masy, łamie się dwie podstawowe zasady z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej obwodów drukowanych, o których projektant PCB układów mieszanych (i nie tylko) bezwzględnie powinien pamiętać. Pierwsza z nich dotyczy zapewnienia możliwie najkrótszej drogi przepływu prądu powrotnego.

Jeżeli nie jest to spełnione, a obszar pętli utworzonej przez prąd powrotny jest odpowiednio duży, powstaje antena ramowa. Jej moc promieniowania jest proporcjonalna do powierzchni pętli, natężenia płynącego w niej prądu i kwadratu częstotliwości. Druga zasada dotyczy płaszczyzny odniesienia - najlepiej, gdy dla całego urządzenia (systemu) jest ona tylko jedna.

Rys. 1. Należy unikać prowadzenia ścieżek sygnałowych nad szczeliną dzielącą płaszczyznę masy na dwie części

Rys. 2. Płaszczyzny masy analogowej i cyfrowej są ze sobą połączone dopiero w masie źródła zasilania

W przeciwnym wypadku łatwo można skonstruować antenę dipolową o mocy promieniowania proporcjonalnej do długości przewodu, natężenia prądu oraz częstotliwości. Do złamania pierwszej zasady najczęściej dochodzi na etapie prowadzenia ścieżek sygnałowych, gdy zostają one wytyczone w taki sposób, że przebiegają nad szczeliną oddzielającą cyfrową i analogową płaszczyznę masy.

Przykład takiej sytuacji przedstawiono na rysunku 1. Zakładając, że obie te płaszczyzny są gdzieś w obrębie systemu połączone, zauważyć można, że powierzchnia pętli, w której płynąć będzie prąd powrotny, jest dość duża. W efekcie prądy dużej częstotliwości spowodują wzrost poziomu promieniowania, z kolei prądy analogowe staną się podatniejsze na zaburzenia z zewnątrz.

Na rysunku 2 przedstawiono przykład szczególnie niekorzystnej konfiguracji, w której płaszczyzny masy analogowej i cyfrowej są ze sobą połączone dopiero przy źródle zasilania. W ten sposób wymusza się przepływ prądu powrotnego aż do masy źródła zasilania, tworząc bardzo dużą pętlę. Dodatkowo w ten sposób niezamierzenie tworzy się antenę dipolową złożoną z obu tych płaszczyzn.

Łączenie rozdzielonych mas

Problem nadmiernie wydłużonej powrotnej drogi prądu można oczywiście obejść. Jeżeli rozdzielenie płaszczyzny masy, a później poprowadzenie ścieżek nad dzielącą je szczeliną jest naprawdę konieczne, należy zastosować rozwiązanie jak na rysunku 3. Polega ono na połączeniu rozdzielonych płaszczyzn masy w jednym punkcie w celu stworzenia mostka.

Rys. 3. Łącząc płaszczyzny masy, tworzy się mostek, nad którym można poprowadzić ścieżki sygnałowe w celu ograniczenia powierzchni pętli ich prądów powrotnych

Rys. 4. Rozkład prądów powrotnych w płaszczyźnie masy

W przypadku poprowadzenia ścieżek sygnałowych nad tym mostkiem mamy pewność, że droga prądu powrotnego będzie przebiegać bezpośrednio pod każdą z nich. Chociaż w ten sposób znacznie ogranicza się rozmiar pętli, nie w każdym przypadku można zastosować takie rozwiązania.

Jeżeli już się na to zdecydujemy, często trzeba się liczyć też z tym, że takie prowadzenie ścieżek może znacząco skomplikować cały projekt. Zatem skoro podział płaszczyzny masy może powodować takie utrudnienia, czy w ogóle warto go stosować?

Dzielić czy nie dzielić?

Głównym argumentem zwolenników rozdzielania płaszczyzny masy na dwie części jest to, że w ten sposób uniemożliwia się przepływ prądów powrotnych układów cyfrowych przez płaszczyznę odniesienia układów analogowych, co zapobiega zakłócaniu ich pracy. Przeciwnicy tej tezy dowodzą jednak, że w rzeczywistości prądy powrotne tylko w niewielkim stopniu rozpraszają się w płaszczyźnie masy, płynąc praktycznie bezpośrednio pod daną ścieżką.

Rys. 5. Z pomiarów wynika, że prądy powrotne tylko w niewielkim stopniu rozpraszają się w płaszczyźnie masy, płynąc praktycznie bezpośrednio pod daną ścieżką (a - odległość od środka ścieżki w poziomie, b - wysokości ścieżki nad płaszczyzną masy)

Rys. 6. Należy unikać prowadzenia ścieżek przez część analogową i część cyfrową płaszczyzny masy jednocześnie

Potwierdzają to dane pomiarowe pokazane na rysunku 5. Zamieszczono w niej informacje charakterystyczne dla układu z rysunku 4 o tym, ile prądu (procentowo) płynie w określonej odległości od ścieżki. Odległość tę wyrażono jako iloraz odległości od środka ścieżki w poziomie (a) i wysokości ścieżki nad płaszczyzną masy (b).

Czy zatem warto rozdzielać płaszczyznę masy, by zapobiec zjawisku, które niekoniecznie musi wystąpić? Część specjalistów jest zdania, że nie ma takiej konieczności. W zamian wskazane jest zastosowanie podejścia, w którym wykorzystuje się tylko jedną płaszczyznę masy, natomiast obwód drukowany dzieli się na sekcję analogową i cyfrową. Jeżeli uda się w takim wypadku uniknąć sytuacji jak na rysunku 6, pewne jest, że prądy powrotne z układów cyfrowych nie popłyną w części analogowej płaszczyzny masy (rys. 7).

Problem z przetwornikami

Odrębnym zagadnieniem jest rozmieszczenie na płytce z układami mieszanymi (mixed-signal) układów analogowo-cyfrowych, takich jak na przykład przetworniki A/C i C/A. W ich wypadku problemem jest decyzja o tym, z czym połączyć zaciski AGND i DGND. Wbrew pozorom połączenie pierwszego z masą analogową, a drugiego z masą cyfrową nie jest dobrym pomysłem.

Producenci przetworników najczęściej sugerują, by najpierw zaciski te ze sobą połączyć, a następnie dołączyć je do masy analogowej PCB. Uzasadnienia tego zalecenia należy szukać w strukturze wewnętrznej przetwornika. Jej uproszczony schemat przedstawiano na rysunku 8.

Rys. 7. Jeżeli uda się zachować podział PCB na część analogową i cyfrową, prądy powrotne z układów cyfrowych nie popłyną w części analogowej płaszczyzny masy

Rys. 8. Uproszczony model struktury wewnętrznej przetwornika A/C

Można na nim wyróżnić część analogową i cyfrową połączone odpowiednio z pinem AGND i DGNG. Na schemacie zaznaczono też pasożytnicze parametry - rezystancję i indukcyjność, które charakteryzują połączenia między wyprowadzeniami z obu tych sekcji a zaciskami obudowy. Ponadto między tymi połączeniami występuje pasożytnicza pojemność CPAS.

Za jej pośrednictwem napięcie w punkcie B wytworzone przez szybko zmieniające się prądy z części cyfrowej jest sprzęgane z punktem A w części analogowej. Jeżeli pin DGND zostanie połączony z masą cyfrową PCB, dodatkowa impedancja dołączona do tego zacisku spowoduje jeszcze większe zakłócenia oznaczone na rysunku 8 jako UZAKL, które przenikną do części analogowej przetwornika. Dlatego właśnie zaleca się zewnętrzne połączenie pinów AGND i DGNG oraz połączenie ich możliwie najkrótszym połączeniem z analogową płaszczyzną masy.

Gdy przetworników jest więcej

Powyższe wymagania można łatwo spełnić, jeżeli urządzenie zawiera tylko jeden przetwornik. Można wówczas podzielić płaszczyznę masy i połączyć część analogową i cyfrową w jednym punkcie pod przetwornikiem, jak to pokazano na rysunku 9.

Rys. 9. W przypadku, gdy płaszczyzna masy podzielona jest na dwie części, przetwornik A/C lub C/A należy umieścić nad łączącym je mostkiem

Rys. 10. W przypadku, gdy rozmieścić należy kilka przetworników A/C lub C/A, lepiej nie dzielić płaszczyzny masy

Jeżeli zdecydujemy się na takie rozwiązanie, należy zrealizować mostek między tymi dwoma płaszczyznami masy tak szeroki jak przetwornik i pamiętać, by żadne ścieżki nie był prowadzone nad przerwą między płaszczyznami. Co jednak zrobić, gdy zamiast pojedynczego przetwornika na płytce należy rozmieścić na przykład dziesięć takich układów?

Jeżeli zaczniemy łączyć płaszczyzny masy pod każdym przetwornikiem, w rezultacie płaszczyzny będą ze sobą połączone w wielu miejscach i w efekcie nie będą dłużej odizolowane. Jest to kolejny argument za tym, by płaszczyzny masy nie dzielić. Wspólna płaszczyzna masy umożliwia spełnienie warunku złączenia pinów AGND i DGND bez dodatkowych komplikacji (rys. 10).

Monika Jaworowska