Suggerimenti su come gestire circuiti che presentano sia componenti analogici che digitali

Ti è mai capitato di realizzare circuiti in cui è presente una sezione analogica e una sezione digitale?

Questa tipologia di circuiti rientra il più delle volte in una di queste due categorie:

  • Circuiti di acquisizione dati. in questo caso il punto di unione della sezione analogica con quella digitale è rappresentato da un componente chiamato ADC (Analog to Digital Converter) che può essere un componente fisico (si usa questa opzione per applicazioni più spinte) oppure può essere integrato nel microcontrollore.
  • Convertitori audio. In questo caso le frequenze in gioco sono dell’ordine dei kHz

Un punto controverso è come gestire in questi casi l’alimentazione e in particolare le connessioni verso massa.

Analizziamo l’alimentazione positiva. Se ad esempio l’ADC richiede un’alimentazione di 5V e allo stesso modo il microcontrollore, puoi usare un unico componente (regolatore lineare o DC-DC converter) per generare la tensione di 5V e poi utilizzare due ferriti per fornire alimentazioni ai due componenti. In alcuni casi questo non è possibile perchè l’alimentazione richiesta dai componenti analogici è diversa dall’alimentazione richiesta dai componenti digitali (ad esempio i componenti analogici possono richiedere un’alimentazione di +5V o un’alimentazione duale di +/-12V mentre i componenti digitali un’alimentazione di +3.3V).

Per quanto riguarda le connessioni verso massa, il discorso è più complesso.

In alcuni “application note” o datasheet puoi trovare questo suggerimento: distinguere le connessioni verso massa della sezione analogica dalle connessioni verso massa della parte digitale. Tutti i punti verso massa della sezione analogica saranno collegati a un piano di massa “analogico”. Allo stesso modo tutti i punti della sezione digitale saranno collegati a un piano di massa “digitale”.

Il piano di massa analogico e quello digitale, saranno poi collegati a un unico punto vicino al componente ADC o vicino al microcontrollore.

Questo approccio è consigliato dai datasheet per ridurre gli accoppiamenti tra la sezione analogica e quella digitale. La separazione tra il piano di massa analogico e quello digitale non dà particolari problemi se le frequenze in gioco sono inferiori ai MHz.

Nelle attuali schede che ospitano comuni microcontrollori anche a 8 bit le frequenze in gioco sono elevate non solo perché la frequenza di clock del microcontrollore è maggiore o uguale di 8MHz ma anche perché i tempi di commutazione (rising e falling edge) dei segnali sono rapidi.

                                                       Perché questo è pericoloso?

Questa configurazione si può trasformare in un’antenna a dipolo.Un’antenna a dipolo è formata da due sezioni che partono da un punto comune di alimentazione.

Schema di un'antenna a dipolo
Schema di un’antenna a dipolo

 Nel nostro caso i due rami dell’antenna sono i due piani di massa e il punto centrale corrisponde al punto di unione tra i due piani. Cosa produce un’antenna? Un’antenna emette segnali (in questo caso sono disturbi).

Le frequenze in gioco (intese come rapidità dei segnali) possono portare a una configurazione di risonanza della struttura. Questo porta a problemi di compatibilità elettromagnetica.

Inoltre, in questa configurazione i problemi di compatibilità elettromagnetica sono amplificati quando nei diversi layer del circuito stampato ci sono tracce digitali che attraversano la zona di separazione tra i due piani.

Quando ci sono sia sezioni analogiche sia sezioni digitali, una configurazione alternativa è di usare un unico piano di massa.

In questo caso si devono avere alcuni accorgimenti:

✅ Avere un piano di massa quanto più vicino possibile al layer o ai layer di segnale in modo da tenere il più possibile confinate le correnti di ritorno dei segnali.                

Un  chiarimento su questo punto. Quando esiste un segnale, considera sempre che esiste un corrispondente percorso di ritorno (chiamata anche corrente di ritorno). Uno degli obiettivi nella fase di sbroglio di un circuito è di cercare di non sovrapporre le correnti di ritorno dei segnali critici. Per frequenze nell’ordine dei MHz la corrente di ritorno è nelle immediate vicinanze del segnale. Ad esempio considerando un PCB a 6 layer con una traccia nel layer TOP e un piano di massa nel layer 2, la corrente di ritorno si troverà solo nel layer 2 e non in altri layer. Per frequenze più basse (nell’ordine dei kHz), il percorso della corrente di ritorno è più ampio.  

✅ Separare il più possibile la sezione analogica da quella digitale. In questo video viene suggerito di mantenere una distanza di circa 20 volte la distanza che separa la traccia di segnale dal corrispondente piano di massa. Una separazione di 8 volte comporta un accoppiamento del 0.04% dei segnali digitali sui segnali analogici.

 Se non è possibile la separazione orizzontale e lavori con un PCB multilayer (a 6 o più layer) puoi posizionare i componenti analogici su un lato del PCB e i componenti digitali sul lato opposto. 

Il posizionamento dei componenti sui due lati non è consigliato quando ci sono convertitori audio. In questo caso, dato che le frequenze in gioco sono dell’ordine dei kHz, posizionando i componenti analogici su un lato e i componenti digitali sull’altro si rischia di sovrapporre le correnti di ritorno dei segnali e quindi causare disturbi interni al circuito.

 

✅Utilizzare resistenze serie sui segnali digitali in modo da ridurre la rapidità dei fronti di salita e di discesa dei segnali.

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