Wprowadzenie: Frustrujące doświadczenie z debugowaniem

W zeszłym roku, w pewnym projekcie, 16-bitowy przetwornik ADC zbierał dane z czujnika. Zmierzony szum był niezwykle wysoki, ze stosunkiem sygnału do szumu (SNR) o prawie 15 dB niższym niż teoretyczna wartość. Po sprawdzeniu wszystkiego, tętnienia zasilania były w normie, źródło napięcia referencyjnego było stabilne, a wokół przetwornika ADC dodano wystarczającą liczbę kondensatorów odsprzęgających. W końcu problem został odkryty w niepozornym miejscu – przelotka została użyta dla linii sygnału analogowego wejściowego i została przeniesiona na warstwę wewnętrzną.

W tamtym czasie ta przelotka znajdowała się mniej niż 3 mm od przelotki ścieżki zegara cyfrowego. Po przeprojektowaniu, umieszczenie wszystkich sygnałów analogowych na górnej warstwie natychmiast rozwiązało problem. To doświadczenie było dość bolesne i dało mi głębsze zrozumienie tematu "przelotek dla linii sygnałów analogowych".

W rzeczywistości ten problem jest dość powszechny. Wielu inżynierów ma spolaryzowane postawy wobec przelotek podczas projektowania PCB: albo boją się ich używać, chcąc prowadzić wszystkie ścieżki na tej samej warstwie; albo używają ich bezmyślnie, całkowicie ignorując przelotki. Oba skrajności mogą prowadzić do problemów.

Jaki wpływ mają przelotki na sygnały analogowe?

Aby zrozumieć, kiedy używać przelotek, a kiedy nie, musimy najpierw zrozumieć, co przelotki robią z sygnałami analogowymi. Przelotka nie jest po prostu "połączeniem drutowym"; jest to zasadniczo struktura z pasożytniczą indukcyjnością i pojemnością.

Otwór przelotki o średnicy 0,3 mm ma pasożytniczą indukcyjność około 0,5-1,2 nH i pasożytniczą pojemność 0,3-0,8 pF. Te wartości wydają się małe, ale ich wpływ na sygnały analogowe może być znacznie większy, niż można by sobie wyobrazić.

Wpływ pasożytniczej indukcyjności
Pasożytnicza indukcyjność oddziałuje z pojemnością w ścieżce sygnału, tworząc efekt filtrowania LC, prowadzący do tłumienia składowych wysokiej częstotliwości. Efekt ten jest znaczący dla analogowych sygnałów wysokiej częstotliwości (takich jak front-endy RF). Z mojego doświadczenia wynika, że przy częstotliwościach powyżej 500 MHz, strata wtrąceniowa pojedynczej przelotki może osiągnąć 0,2-0,5 dB.

Bardziej problematyczne jest to, że indukcyjność spowalnia krawędzie narastania i opadania sygnału. Dla szybkich sygnałów analogowych przekłada się to na utratę pasma. Dla sygnałów zegara próbkowania, spowolniona krawędź bezpośrednio wprowadza drgania (jitter), wpływając na SNR przetwornika ADC.

Wpływ pasożytniczej pojemności

Pasożytnicza pojemność jest bardziej podstępna. Pojemność powstaje między padem przelotki a płaszczyzną referencyjną, która jest przyłożona do linii sygnału, powodując spadek impedancji. Dla węzłów o wysokiej impedancji (takich jak wejście wzmacniacza operacyjnego), ta pojemność tworzy dzielnik napięcia z impedancją źródła, prowadząc do tłumienia sygnału.

[Studium przypadku] W precyzyjnym obwodzie pomiarowym impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego wynosi 1 MΩ, a pasożytnicza pojemność przelotki wynosi 0,5 pF. Przy 100 kHz, impedancja kondensatora wynosi około 3,2 MΩ, a efekt nie jest znaczący. Jednak przy 10 MHz, impedancja kondensatora spada do 32 kΩ, a sygnał jest tłumiony 30-krotnie!

Efekt stuba: Niedoceniana pułapka
Jeśli przelotka nie jest w pełni wykorzystana (np. z L1 do L3, ale przelotka przebiega przez całą płytkę), dolna połowa przelotki staje się "stubem". Ten stub działa jak antena, rezonując na określonej częstotliwości.

Wzór na obliczenie częstotliwości rezonansowej to: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

Gdzie L to długość stuba, a Dk_eff to efektywna stała dielektryczna. Strata wtrąceniowa dramatycznie wzrasta, gdy długość stuba osiągnie ćwierć długości fali. Dla standardowej 4-warstwowej płytki o grubości 1,6 mm, częstotliwość rezonansowa stuba wynosi około 10-15 GHz. Jednak jeśli płytka jest grubsza lub stub jest dłuższy, częstotliwość rezonansowa będzie niższa, wpływając na analogowe sygnały o wyższej częstotliwości.

【Ostrzeżenie】Efekt stuba nie jest liniowy. Jakość sygnału drastycznie się pogarsza w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Jeśli częstotliwość sygnału analogowego przypadkowo znajdzie się w pobliżu punktu rezonansowego, konsekwencje mogą być poważne.

Przerwana ścieżka powrotna

To największe ukryte zagrożenie przelotek dla sygnałów analogowych. Kiedy sygnał zmienia warstwę, prąd powrotny również zmienia warstwę. Jeśli sygnał przechodzi z L1 na L3, prąd powrotny, który pierwotnie płynął po płaszczyźnie masy L2, teraz musi znaleźć ścieżkę powrotną do odpowiedniej płaszczyzny masy L3.

Bez dopasowanych przelotek masy, prąd powrotny musi pokonać dłuższą trasę, tworząc dużą pętlę prądową. Ta pętla działa jak antena, zarówno nadając, jak i odbierając zakłócenia. Dla słabych sygnałów analogowych jest to śmiertelne.

Kiedy można używać przelotek?

Omówiwszy tak wiele ryzyk, czy to oznacza, że sygnałów analogowych w ogóle nie można używać z przelotkami? Niekoniecznie. W niektórych przypadkach użycie przelotek jest uzasadnione, a nawet konieczne.

Analogowe sygnały niskiej częstotliwości mogą używać przelotek.

Sygnały analogowe o częstotliwościach poniżej 10 MHz nie są zbyt wrażliwe na parametry pasożytnicze przelotek. Zwykłe sygnały audio, prądy stałe i sygnały czujników o niskiej prędkości mogą bezpiecznie używać przelotek do przełączania warstw. Tylko należy uważać, aby nie używać ich zbyt wielu.

Osobiście uważam, że wpływ przelotek na sygnały DC i niskiej częstotliwości jest znikomy. Chyba że sygnał jest niezwykle słaby (w zakresie mikrowoltów), nie należy się zbytnio martwić.

Linie zasilania i masy muszą używać przelotek.

Używanie przelotek dla linii zasilania i masy jest konieczne i należy ich używać wiele. Sieci dystrybucji mocy (PDN) wymagają ścieżek o niskiej impedancji, a indukcyjność przelotek jest wąskim gardłem. Równoważna indukcyjność maleje wraz z połączeniami równoległymi.

【Zalecenie】Dla przelotek zasilających zaleca się co najmniej 2-3 przelotki na prąd 1A. Więcej przelotek jest potrzebnych dla zastosowań o wysokim prądzie (np. wejścia modułów zasilania); nie oszczędzaj miejsca.

Przelotki mogą być używane, gdy istnieje dopasowana ścieżka powrotna.

Jeśli przelotka masy znajduje się obok przelotki sygnałowej, a przelotka masy jest bardzo blisko przelotki sygnałowej (idealnie mniej niż 100 mil), ścieżka powrotna jest kompletna. W tym przypadku wpływ przelotek na sygnały analogowe jest znacznie zmniejszony.

Konkretnie, za każdym razem, gdy przelotka sygnałowa zmienia warstwę, umieść obok niej przelotkę masy, aby połączyć masy starej i nowej warstwy. Dla sygnałów różnicowych lepiej jest umieścić przelotkę masy między dwiema przelotkami sygnałowymi.

Można używać przelotek ślepych/zakopanych.

Przelotki ślepe łączą tylko warstwę zewnętrzną z wewnętrzną, a przelotki zakopane łączą tylko warstwę wewnętrzną; ich parametry pasożytnicze są znacznie mniejsze niż przelotek przelotowych. Co ważniejsze, przelotki ślepe i zakopane nie tworzą długich stubów, co czyni je znacznie bardziej przyjaznymi dla sygnałów wysokiej częstotliwości.

Jeśli koszt na to pozwala, przelotki ślepe lub zakopane powinny być preferowane dla analogowych obwodów o wysokiej precyzji i wysokiej częstotliwości. Szczególnie dla przetworników ADC 24-bitowych i wyższych oraz obwodów RF GHz-owych, przelotki ślepe i zakopane są niemal standardem.

Kiedy nie należy używać przelotek?

W niektórych przypadkach najlepiej unikać przelotek dla linii sygnałów analogowych lub być niezwykle ostrożnym.

Sygnały analogowe o wysokiej precyzji wymagają ostrożności.

Dla przetworników ADC/DAC 16-bitowych i wyższych, lub systemów o wymaganiach stosunku sygnału do szumu przekraczających 80 dB, ścieżka sygnału analogowego powinna być jak najczystsza. Parametry pasożytnicze wprowadzane przez przelotki mogą prowadzić do zwiększenia błędów kwantyzacji i pogorszenia INL/DNL.

[Przykład] Zaprojektowano 24-bitowy system akwizycji danych z teoretycznym SNR 112 dB. Rzeczywiste testy wykazały tylko 95 dB. Po zbadaniu okazało się, że linie wejściowe analogowe miały przelotki, a punkt rezonansowy stuba znajdował się tuż na krawędzi pasma sygnału. Po zmianie routingu na tę samą warstwę, SNR poprawił się do 108 dB.

Zachowaj ostrożność z analogowymi sygnałami wysokiej częstotliwości.

Dla sygnałów analogowych przekraczających 100 MHz (RF, szybkie zegary), pasożytnicza indukcyjność przelotek może stać się wąskim gardłem. Krawędzie sygnału ulegną degradacji, pojawią się nieciągłości impedancji, prowadzące do odbić.

Dla przełączania warstw sygnałów RF, najlepiej jest używać specjalnie zaprojektowanych struktur przelotek, w połączeniu z optymalizacją anti-padów i ogrodzeniem przelotek masy. Proste umieszczenie zwykłych przelotek spowoduje słaby VSWR.

Nie umieszczaj przelotek pod wrażliwymi obszarami analogowymi.

Unikaj umieszczania niepowiązanych przelotek w pobliżu wrażliwych obwodów, takich jak oscylatory krystaliczne, pętle synchronizacji fazy, źródła napięcia referencyjnego i węzły wejściowe o wysokiej impedancji. Przelotki mogą zakłócać integralność płaszczyzny masy i "kierować" szum z innych warstw.

【Uwaga】Szczególnie dla przelotek sygnałów cyfrowych, nigdy nie przechodź przez obszary obwodów analogowych. Wysokoczęstotliwościowy szum z sygnałów cyfrowych może sprzęgać się z liniami analogowymi poprzez pasożytniczą pojemność przelotek. Z mojego doświadczenia wynika, że przelotki cyfrowe powinny znajdować się co najmniej 10 mm od wrażliwych obwodów analogowych.

Zachowaj ostrożność, gdy płaszczyzna masy jest przerwana.

Jeśli przelotki są gęsto rozmieszczone, tworząc duże okno (anti-pad) na płaszczyźnie masy, ciągłość płaszczyzny masy jest zakłócona. Prąd powrotny jest zmuszony do obejścia, tworząc pętlę antenową.

Problem ten jest szczególnie poważny na mieszanych płytkach drukowanych. Jeśli analogowa płaszczyzna masy jest przerwana przez przelotki, szum cyfrowy może przeniknąć do obszaru analogowego przez ścieżki sprzęgania.

Praktyczne uwagi projektowe

Po zrozumieniu zasad i warunków granicznych, jak powinniśmy postępować w rzeczywistym projekcie? Oto kilka osobistych wskazówek:

Zaplanuj strategię routingu, aby zminimalizować zmiany warstw.

Najlepsze przelotki to te, które nie są wiercone. Podczas fazy rozmieszczenia jasno określ ścieżkę routingu i staraj się zapewnić, że krytyczne sygnały analogowe są zakończone na tej samej warstwie. Jeśli zmiana warstwy jest absolutnie konieczna, priorytetowo traktuj jej zmianę w pobliżu pinów układu scalonego i unikaj nagłego wiercenia przelotek w połowie ścieżki.

Optymalizuj parametry przelotek

Jeśli przelotki są konieczne, optymalizuj je do ekstremum:

• Najmniejsza średnica przelotki:0,2 mm lub mniej, co skutkuje niższymi parametrami pasożytniczymi.
• Odpowiednio powiększ anti-pady:Standard to 10 mil, sygnały szybkie mogą być powiększone do 20-30 mil.
• Pady nie powinny być zbyt duże:Nadmiernie duże pady zwiększają pasożytniczą pojemność i zajmują miejsce.

Dopasowane przelotki powrotne

Dla każdej przelotki sygnałowej rozważ ścieżkę powrotną. Jeśli sygnał przechodzi z L1 na L3, a płaszczyzna masy znajduje się na L2, to przelotka masy powinna być umieszczona obok przelotki sygnałowej, aby połączyć masy L2 i L3.

Przelotka masy powinna znajdować się jak najbliżej przelotki sygnałowej; w odległości 100 mil jest to bezpieczny zakres. W odległości 50 mil jest jeszcze lepiej.

Separacja i izolacja analogowo-cyfrowa

W przypadku mieszanych płytek drukowanych, obszary analogowe i cyfrowe muszą być fizycznie odizolowane. Przelotki również powinny być oddzielone, z przelotkami analogowymi w obszarze analogowym i przelotkami cyfrowymi w obszarze cyfrowym. Nie pozwól, aby przelotki cyfrowe "przechodziły" przez obszar analogowy.

Jeśli obecne są urządzenia mieszane, takie jak przetworniki ADC/DAC, umieść przelotki w pobliżu urządzeń, aby zapobiec długiemu podróżowaniu sygnałów analogowych przez obszar cyfrowy.

Weryfikacja symulacyjna:

Dla projektów o wysokiej prędkości i wysokiej precyzji, nie polegaj wyłącznie na doświadczeniu. Użyj narzędzi do symulacji SI, aby sprawdzić impedancję, odbicia i straty wtrąceniowe przelotek. Szczególnie punkt rezonansowy stuba; symulacja ujawni go natychmiast.

Wyjaśnione powszechne błędne przekonania:

• "Mniej przelotek jest lepsze"

—Nie do końca prawda. Przelotki sygnałowe powinny być rzeczywiście mniej liczne, ale przelotki zasilania i masy powinny być liczniejsze. Kluczem jest traktowanie ich inaczej.

• "Masa analogowa musi być oddzielona od masy cyfrowej"

—Nie absolutnie. Proste systemy często korzystają z jednolitej płaszczyzny masy. Złożone systemy wymagają separacji, a nawet wtedy konieczne są połączenia jednopunktowe.

• "Przelotki ślepe są zbyt drogie i niepotrzebne"

—Zależy od zastosowania. Dla przetworników ADC 24-bitowych i RF GHz, przelotki ślepe są opłacalną inwestycją. Dla zwykłych zastosowań są one rzeczywiście niepotrzebne.

Podsumowanie:

Czy linie sygnałów analogowych mogą używać przelotek? Odpowiedź brzmi: To zależy. Niskie częstotliwości nie są wrażliwe, więc można używać przelotek; wysoka precyzja wymaga ostrożności, więc jeśli to możliwe, unikaj przelotek; wysokie częstotliwości wymagają specjalnej obsługi, a jeśli są używane, parametry powinny być zoptymalizowane. Podstawowe zasady to:

• Unikaj przelotek, jeśli to możliwe;

Dobrze zaplanuj strategię routingu, aby zmniejszyć liczbę zmian warstw.

• Jeśli musisz używać przelotek, używaj ich dobrze;

Optymalizuj średnicę przelotek, anti-pady i używaj dopasowanych przelotek powrotnych.

• Omijaj wrażliwe sygnały;

Prowadź sygnały analogowe o wysokiej precyzji i wysokiej częstotliwości do górnej warstwy, aby uniknąć stubów.

• Rozdziel sygnały analogowe i cyfrowe;

Nie przekraczaj stref przelotkami, aby uniknąć sprzęgania szumów.

• Symuluj i weryfikuj;

Nie polegaj wyłącznie na doświadczeniu w przypadku projektów o wysokiej prędkości i wysokiej precyzji.

Chociaż przelotki są małe, jest wiele do nauczenia. Zrozum zasady, opanuj granice, a przelotki sygnałów analogowych nie staną się pułapkami w Twoich projektach. Mam nadzieję, że to doświadczenie będzie pomocne.