Uziemianie w systemach o sygnałach mieszanych

Rys. 1. Wyprowadzenia AGND i DGND przetwornika ADC

Uziemianie jest niewątpliwie jednym z najważniejszych zadań w projektowaniu systemów elektronicznych. Podstawowe zasady uziemiania są proste, ale ich realizacja bywa niełatwa. W układach analogowych uziemienie jest odniesieniem dla sygnałów oraz stanowi powrotną ścieżkę dla prądów zasilania. Niewłaściwe uziemianie łatwo degraduje jakość systemów analogowych. Nie ma ogólnego podręcznika poprawnego uziemiania, ale istnieje kilka ogólnie niewłaściwie rozwiązywanych problemów, będących źródłem trudności.

W projektowaniu uziemień często jest używane uziemienie gwiaździste. W takim rozwiązaniu wszystkie napięcia w układzie są odnoszone do jednego wspólnego punktu uziemienia. Napięcia i sygnały powinny być mierzone względem tego punktu, a nie względem dowolnego innego punktu warstwy uziemiającej. Jednak w praktyce skupienie wszystkich prądów uziemiających sygnały i zasilanie w jednym punkcie jest trudne w realizacji. Natężenia prądów zasilania mogą być na tyle duże, a zaburzenia w prądach sygnałowych na tyle znaczne, że zakłócają transmisję sygnałów.

Rozróżnianie wyprowadzeń AGND i DGND

Rys. 2. Uziemianie przetworników danych o małych wewnętrznych prądach cyfrowych

Projektanci układów cyfrowych i układów analogowych na układy analogowo-cyfrowe spoglądają z różnych punktów widzenia. Wszyscy jednak świadomie odróżniają uziemienie analogowe (AGND) od uziemienia cyfrowego (DGND). Nazwy te odnoszą się do wewnętrznych połączeń w układach scalonych, nie mają zaś sugerować zewnętrznego sposobu ich użycia.

Dane techniczne przetworników sygnałów zazwyczaj proponują połączenie uziemienia analogowego i cyfrowego ze sobą na zewnątrz układu. Takie wspólne uziemienie projektant może, ale nie musi, uznać za systemowe uziemienie gwiaździste. A jak być powinno?

Rysunek 1 pokazuje, że w układzie scalonym o sygnałach mieszanych, dla uniknięcia przedostawania się zaburzeń od sygnałów cyfrowych do obwodów analogowych, uziemienia są zazwyczaj rozdzielone. Projektant układu scalonego ma minimalny wpływ na indukcyjność i rezystancję (pomijalną w stosunku do indukcyjności) wyprowadzeń ścieżek zawartych w chipie. Gwałtownie zmieniające się natężenia prądów w obwodach cyfrowych wywołują spadki napięcia (di/dt), indukujące się nieuchronnie w obwodach analogowych przez pojemności rozproszone.

Układ scalony pomimo tego działa poprawnie. Jednak dla przeciwdziałania zwiększaniu się takich sprzężeń wyprowadzenia AGND i DGND powinny być razem łączone z niskorezystancyjną warstwą uziemiającą ścieżkami o minimalnej długości. Każda dodatkowa rezystancja zewnętrzna wyprowadzenia DGND zwiększa zaburzenia cyfrowe, indukując je przez pojemności rozproszone w obwodach analogowych.

Warstwa uziemiająca analogowa, cyfrowa czy obie?

Rys. 3. Uziemianie przetworników danych o dużych wewnętrznych prądach cyfrowych

Do czego w płytce drukowanej jest potrzebna osobna warstwa uziemiająca? W razie użycia zamiast niej przewodu uziemiającego należy obliczyć spadek napięcia na jego impedancji dla wykorzystywanych częstotliwości sygnałów. Ten spadek napięcia wyznacza błąd, wchodzący w skład całkowitego błędu pomiarowego systemu. Warstwę uziemiającą zwykle tworzy jedna z warstw miedzi dwustronnej płytki drukowanej. Jej duża, płaska powierzchnia zapewnia najmniejszą możliwą rezystancję i najmniejszą możliwą reaktancję indukcyjną połączenia.

Warstwa uziemiająca zapewnia ścieżki powrotne dla wywoływanych szybkimi układami logicznymi odsprzęgających prądów wielkiej częstotliwości. Minimalizuje też skutki interferencji elektromagnetycznych i radiowych (EMI i RFI), a także ma działanie ekranujące. Warstwa ta usprawnia również tworzenie ścieżek paskowych linii transmisyjnych (microstrip, stripline) o kontrolowanej impedancji, służących do przesyłania sygnałów cyfrowych i analogowych.

Jak już wspomniano, wyprowadzenia AGND i DGND muszą zostać połączone. To znaczy - uziemienia cyfrowe i analogowe mają być oddzielone, ale powinny być łączone z uziemiającą warstwą analogową, cyfrową czy z obiema?

Rys. 4. Poprzeczny rozkład przestrzenny prądu powrotnego

Trzeba pamiętać, że przetwornik danych jest analogowy! Zatem wyprowadzenia AGND i DGND muszą być łączone z analogową warstwą uziemiającą. Jeśli połączy się je z cyfrową warstwą uziemiającą, do analogowego sygnału wejściowego dostaną się zaburzenia cyfrowe, gdy sygnał ten nie jest różnicowy i jest odniesiony do warstwy analogowej. Połączenie wyprowadzeń z warstwą wyłącznie analogową wprowadzi do niej niewielką ilość zaburzeń cyfrowych, co zwiększy poziom zaburzeń sygnału wyjściowego.

Dzieje się tak dlatego, że wyjściowe obwody logiczne są odniesione do cyfrowej warstwy uziemiającej. Jednakże natężenie tych prądów jest z reguły małe lub może zostać zminimalizowane. W tym zakresie przetworniki typu Flash są zwykle uważane za układy niskoprądowe.

Wiele innych rozwiązań, w tym głównie przetworniki wbudowane do wnętrza struktury mikrokontrolerów, narażone na oddziaływanie cyfrowe prądów o dużym natężeniu i tym samym zakłócenia. To samo dotyczy ADC sigma-delta ze złożonymi filtrami cyfrowymi.

Uziemianie przetworników o małych prądach cyfrowych

Rys. 5. Przepływ prądu powrotnego bez przeszkody i wokół szczeliny

Jak już wspomniano, przetwornik (czy każdy układ sygnałów mieszanych) jest układem analogowym. W każdym systemie z układem pracującym z sygnałami mieszanymi obwody analogowe są umieszczane na analogowej warstwie sygnałowej płytki drukowanej. Podobnie, wszystkie cyfrowe układy przetwarzania danych są gromadzone na cyfrowej warstwie sygnałowej. Analogowe i cyfrowe warstwy uziemiające powinny mieć położenie, rozmiary i kształty analogiczne do ich sygnałowych odpowiedników.

Na rysunku 2 przedstawiono zasady uziemiania niskoprądowych układów o sygnałach mieszanych. Analogowa warstwa uziemiająca nie jest zakłócana, ponieważ małe cyfrowe prądy chwilowe płyną przez ścieżki tworzące niewielką pętlę pomiędzy V_Dig, lokalnym kondensatorem odsprzęgającym a DGND (linia zielona).

Na tym rysunku pomiędzy zasilaczami obwodów analogowych i cyfrowych jest również widoczny filtr. W układzie użyto ferrytowych rdzeni koralikowych dwóch rodzajów, rezonansowych o wysokiej dobroci i nierezonansowych o niskiej dobroci. Te drugie są powszechnie stosowane do szeregowej filtracji zasilania.

Uziemianie przetworników danych o dużych prądach cyfrowych

Rys. 6. Trasy sygnałów przecinające szczelinę w warstwie uziemiającej

Kondensator odsprzęgający pomiędzy V_Dig a DNDG w układzie na rysunku 2 służy do izolowania w małej pętli chwilowych prądów wysokiej częstotliwości od obwodów cyfrowych. Jeśli jednak prądy te nie są małe i wchodzą w zakres DC oraz niskich częstotliwości, to wymagana pojemność tego kondensatora staje się niepraktycznie duża.

Prąd cyfrowy płynący poza tą pętlą musi przejść przez analogową warstwę uziemiającą, co obniża osiągi, zwłaszcza w systemach akwizycji danych o wysokiej rozdzielczości. Alternatywny sposób uziemiania w układach o sygnałach mieszanych i o dużych prądach cyfrowych jest przedstawiony na rysunku 3.

Wyprowadzenie AGND przetwornika jest połączone z analogową warstwą uziemiającą, a wyprowadzenie DGND z cyfrową warstwą uziemiającą. Prądy cyfrowe są od analogowej warstwy uziemiającej oddzielone, ale zaburzenia pomiędzy warstwami uziemiającymi występują bezpośrednio pomiędzy wyprowadzeniami AGND i DGND. Nie mogą one przekraczać dopuszczalnego poziomu ani zakłócać działania wewnętrznych obwodów analogowych.

Łączenie analogowych i cyfrowych warstw uziemiających

Rys. 7. Rozdzielone warstwy połączone zasilaczem

Na rysunku 2 i 3 pokazano opcjonalne podwojone połączenie za pomocą diod Schottky’ego analogowych i cyfrowych warstw uziemiających. Diody te zapobiegają pojawianiu się pomiędzy nimi napięć wyższych od 0,3 V czy impulsów, które pojawiając się pomiędzy wyprowadzeniami AGND i DGND, mogłyby zagrozić stabilnej pracy układu scalonego sygnałów mieszanych.

Alternatywą dla diod Schottky’ego pomiędzy tymi warstwami mogą być koralikowe rdzenie ferrytowe, ale przy częstotliwościach megahercowych stają się one nieefektywne, wprowadzają pomiędzy AGND i DGND niekorzystne w systemach wysokiej rozdzielczości zbędne pętle uziemienia stałoprądowego. Wyprowadzenia AGND i DGND są oddzielone, ale w specjalnych przypadkach układów scalonych o wysokich prądach cyfrowych ich zwarcie za pomocą przelotek może okazać się niezbędne.

Izolowanie czy partycjonowanie warstw uziemiających, co ważniejsze?

Rys. 8. Warstwy uziemiające zmostkowane pod trasami

Głównym problemem uziemień jest taki sposób ich rozdzielenia, który odseparuje obwody analogowe od cyfrowych. Dobrze wiadomo, że obwody cyfrowe zakłócają, bo pobierają prąd impulsowo w momencie przełączania, a obwody analogowe są na zaburzenia wrażliwe, nie zakłócają natomiast cyfrowych.

To szybkie układy cyfrowe zakłócają czułe obwody analogowe układów o sygnałach mieszanych. Cała trudność polega na sposobie ich chronienia. Nasuwa się pomysł podziału warstwy uziemiającej w celu izolowania DGND od AGND. Rozwiązanie to może być skuteczne, ale może natrafiać na trudności, zwłaszcza w systemach dużych i złożonych.

Wymaganie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) opiera się na dwóch podstawowych zasadach:

• Prądy powinny znajdować najprostsze ścieżki powrotne do swoich źródeł. W przeciwnym przypadku tworzą anteny pętlowe.
• System może mieć tylko jedną uziemiającą warstwę odniesienia. W przypadku dwóch powstaje antena dipolowa.

W trakcie testów EMC większość problemów napotyka się wtedy, gdy ścieżki są prowadzone w poprzek przerw czy szczelin w warstwie uziemiającej lub zasilającej. Powstaje wtedy promieniowanie i powstają przesłuchy, należy więc przerw unikać.

Ważne jest zrozumienie, jak i którędy prądy płyną w przedzielonej warstwie. Przeważnie myśli się o trasie przepływu sygnału, a zapomina o trasie powrotnej. Sygnały wielkiej częstotliwości kierują się trasami o najmniejszej impedancji, a zwłaszcza reaktancji indukcyjnej. Wartość tę wyznacza warstwa, którą pętla obejmuje.

Im jest ona większa, tym większa jest reaktancja. Prąd powrotny, płynący przez uziemiającą lub zasilającą warstwę bezpośrednio pod ścieżką, niewiele się gaussowsko rozprzestrzeniając, zapewnia najmniejszą reaktancję. Rysunek 4 ilustruje poprzeczny rozkład prądu powrotnego w warstwie uziemiającej pod ścieżką sygnału, tworzący najmniejszą możliwą impedancję. Rozkład ten ma postać:

Rys. 9. Warianty warstwy uziemiającej

gdzie: i oznacza gęstość prądu [A/cm], I₀ - całkowite natężenie prądu sygnału [A], h - grubość warstwy izolacyjnej płytki drukowanej [cm], D - odległość od osi ścieżki [cm].

Ważne jest, aby przelotki lub szczeliny w warstwach uziemiających nie kolidowały z trasami prądów powrotnych. Prądy te znajdują wtedy trasy okrężne (rys. 5), których pola elektromagnetyczne mogą interferować z polami tras innych sygnałów, wywołując przesłuchy. Ponadto przeszkody te zwiększają impedancję trasy, wywołując nieciągłości i zwiększając EMI.

Dzielenie warstw odniesienia

Rys. 10. Źle poprowadzona trasa sygnału cyfrowego

Którędy przebiegną prądy powrotne, jeśli warstwa uziemiająca, jak ilustruje rysunek 6, została podzielona, a trasy przeprowadzone ponad granicą podziału? Przy założeniu, że oddzielone części warstw gdzieś zostały połączone, zwykle w jednym punkcie, prądy powrotne muszą tworzyć obszerne pętle. Powstaje duża reaktancja indukcyjna uziemienia, a prądy wielkiej częstotliwości generują promieniowanie. Płynące tą drogą małe prądy analogowe są zakłócane.

Jeśli dwie części warstwy łączą się tylko w miejscu zasilania (rys. 7), prądy powrotne są zmuszone do przepływu wielką pętlą przez zasilacz. A warstwy analogowa i cyfrowa, o różnych potencjałach wielkiej częstotliwości, połączone długimi przewodami, utworzą bardzo skuteczną antenę dipolową.

Do przeciwdziałania temu jest pożądana jedna ciągła warstwa uziemienia, ale jeśli jej podzielenie i poprowadzenie tras w poprzek podziału jest niezbędne, trzeba je wpierw połączyć mostkowo w wybranym punkcie (rys. 8). Trasy wszystkich połączeń między płaszczyznami, również powrotne, powinny wtedy przebiegać nad i pod mostkiem, bardzo małymi pętlami. Metodę tę stosuje się typowo do przetworników ADC delta-sigma o wysokiej rozdzielczości (≥ 20 bitów).

Innymi sposobami przesyłania sygnałów w poprzek podziałów warstw uziemiających jest użycie optoizolatorów (światłem), transformatorów separujących (polem magnetycznym) albo transceiverem z wyjściem różnicowym (w którym prąd zwrotny nie płynie przez uziemienie).

Lepszym rozwiązaniem jest partycjonowanie warstwy powrotnej (uziemiającej lub zasilającej). Jednolitą warstwę uziemiającą na płytce drukowanej (rys. 9b) dzieli się umownie na dwie sekcje, analogową i cyfrową. Montaż systemu organizuje się w taki sposób, aby sygnały analogowe były odnoszone wyłącznie do części analogowej, a cyfrowe do części cyfrowej. Wtedy cyfrowe prądy powrotne nie przepływają przez analogową sekcję warstwy uziemiającej. Rysunek 9 przedstawia porównanie płaszczyzny podzielonej z partycjonowaną.

Jedyną trudnością partycjonowania jest konieczność tak umiejętnego i ścisłego rozmieszczenie obwodów na płytce drukowanej, aby rozdział części cyfrowej od analogowej dało się przeprowadzić skutecznie.

Wiele przetworników na jednej PCB

Tabela 1. Rozdzielczość przetwornika dla napięcia odniesienia 1 V

Zaburzenia napięciowe w analogowej warstwie uziemiającej muszą być mniejsze od minimalnego poziomu sygnału analogowego. W przypadku przetworników ADC i CAD najniższe przetwarzalne napięcie sygnału [najmniej znaczący bit (LSB)] zależy od liczby bitów i od napięcia pełnej skali odniesienia ADC.

Im napięcie odniesienia jest mniejsze, a liczba bitów większa, tym mniejsze jest minimalne przetwarzalne napięcie sygnału. W tabeli 1 zestawiono rozdzielczość w zależności od liczby bitów dla ADC w odniesieniu do napięcia 1 V. Rozdzielczość można przez mnożenie obliczyć dla dowolnego napięcia.

Użycie pojedynczej poprawnie umiejscowionej i ukierunkowanej płaszczyzny uziemiającej wystarcza zwykle dla ADC o niskiej lub średniej rozdzielczości (8, 10, lub 12 bitów). Dla systemów o wyższej rozdzielczości (14 lub więcej bitów) potrzebna jest lepsza ochrona przed zaburzeniami pochodzącymi od uziemienia.

Rozdzielczość napięciowa takich przetworników wynosi dziesiątki μV lub mniej. Wtedy może okazać się konieczne podzielenie płytki drukowanej na oddzielne izolowane sekcje, analogowe i cyfrową, które pod każdym odpowiednio ukierunkowanym przetwornikiem zostaną solidnie połączone z cyfrową warstwą uziemiającą, jak pokazano na rysunku 10. Takie rozwiązanie zapewnia dodatkową izolację przetworników ADC na wspólnej, nierozciętej, płytce drukowanej systemu.

Uziemiane wielu przetworników umieszczonych na jednej PCB

Rys. 11. Uziemianie układów o mieszanych sygnałach na pojedynczej płytce drukowanej

W danych technicznych przetworników zaleca się ich uziemianie na jednej płytce drukowanej. Zwykle rekomenduje się podział warstwy uziemiającej płytki na sekcję analogową i cyfrową. Rekomenduje się także połączenie razem wyprowadzeń AGND i DGND przetwornika w jednym punkcie z warstwami analogową i cyfrową, jak pokazano na rysunku 11 (zmodyfikowana wersja rys. 3). Powstaje w ten sposób gwiaździsty punkt uziemienia układu pracującego z sygnałami mieszanymi. Wszystkie napięcia w takim systemie powinny być mierzone jedynie względem tego punktu.

Wszelkie mogące wywoływać zaburzenia prądy cyfrowe płyną w obwodzie zasilacza cyfrowego przez płaszczyznę cyfrowego uziemiania i wspólny punkt uziemiania, są zatem oddzielone od czułych elementów sekcji analogowej. Gwiaździsty punkt uziemiający jest wspólnym punktem systemu, w którym płaszczyzny uziemiające, analogowa i cyfrowa, są razem połączone z przetwornikiem.

Takie rozwiązanie dobrze działa w prostym systemie z jednym przetwornikiem na jednej płytce drukowanej, ale w systemie wieloprzetwornikowym na wielu płytkach zwykle już nie. Przy kilku przetwornikach na oddzielnych płytkach rozwiązanie to nie sprawdza się, ponieważ analogowe i cyfrowe systemy uziemiania są połączone z każdym przetwornikiem na płytce, tworząc pętle uziemieniowe.

Rys. 12. Zasilanie i uziemienie na płytce drukowanej z wieloma ADC

Przy projektowaniu na przykład ośmiowarstwowej płytki z trzema DAC i dwoma ADC, w celu zminimalizowania zaburzeń, uziemiające płaszczyzny analogowe i cyfrowe powinno się solidnie razem połączyć pod wszystkimi chipami przetworników ADC i DAC. Wyprowadzenia AGND i DGND powinny zostać razem połączone z analogową warstwą uziemiającą, a analogowe i cyfrowe warstwy uziemiające indywidualnie z zasilaczem.

Zasilanie powinno zostać doprowadzone do cyfrowej partycji płytki i bezpośrednio zasilać obwody cyfrowe, a następnie być filtrowane lub stabilizowane do zasilania obwodów analogowych. Z zasilaczem powinna być połączona jedynie cyfrowa warstwa uziemiająca. Rysunek 12 pokazuje wkład warstwy uziemiającej podzielony na części analogową i cyfrową, a zasilaniem rozprowadzonym z płytki zasilania do poszczególnych przetworników.

Wielopłytkowe systemy z sygnałami mieszanymi

Rys. 13. Sposób uziemiania w systemie wielopłytkowym

Wykorzystanie jednopłytkowych koncepcji uziemiania w systemach wielopłytkowych doprowadziło do zamętu w uziemianiu układów o sygnałach mieszanych. W systemach z wieloma przetwornikami umieszczonymi na osobnych płytkach analogowe i cyfrowe warstwy uziemiające są łączone w różnych punktach, co prowadzi do powstawania pętli w uziemieniach, uniemożliwiając tworzenie systemu z pojedynczym punktem uziemienia gwiaździstego.

Najlepszym sposobem minimalizowania impedancji uziemienia w systemie wielopłytkowym jest użycie bazowej płytki drukowanej jako elementu montażowego (backplane). Staje się ona ciągłą montażową warstwą uziemiającą. Od 30 do 40% styków złącza tej płytki zostaje użyte do połączeń uziemiających, które powinny zostać połączone z warstwą uziemiającą płytki montażowej. Cały system uziemiania może zostać wykonany na dwa sposoby:

• warstwa uziemiająca płytki montażowej może zostać połączona z masą chassis w wielu punktach, zwielokrotniając trasy powrotnych prądów uziemiających. Jest to zwane wielopunktowym systemem uziemiającym (rys. 13).
• warstwa uziemiająca może zostać złączona z jednym gwiaździstym punktem uziemiającym, zwykle przy zasilaczu.

Pierwszy sposób jest używany często w systemach całkowicie cyfrowych, może też być użyty w systemach o sygnałach mieszanych, o ile prądy uziemiające układów cyfrowych są stosunkowo małe i rozproszone. Impedancja uziemienia jest utrzymywana na niskim poziomie w płytkach drukowanych, w płytce montażowej i głównie w chassis.

Wymaga to użycia blachowkrętów lub nacinanych podkładek. Trzeba pamiętać, że powierzchnia często stosowanego w chassis anodowanego aluminium ma własności izolacyjne. Drugi sposób, z jednopunktowym uziemieniem gwiaździstym, jest często stosowany w szybkich systemach o sygnałach mieszanych, mających oddzielne analogowe i cyfrowe systemy uziemiające. (KKP)