Considerações sobre layout de sinal misto

Muitas vezes, um projeto de placa de circuito impresso (PCB) contém uma seção analógica e uma seção digital. A seção analógica normalmente condiciona um sinal para digitalização e a seção digital converte o sinal analógico em um digital e então atua no sinal de domínio agora digital. Segregar esses dois blocos de um projeto de PCB é muito importante para garantir a integridade do circuito analógico. Os circuitos analógicos são tipicamente altamente suscetíveis a sinais de ruído e os circuitos digitais são tipicamente muito ruidosos eletricamente. Este artigo tentará esclarecer algumas regras gerais para evitar problemas de layout de sinal misto e discutir a melhor abordagem para isolar sua parte do circuito analógico de sua contraparte digital.

Plano de fundo

Como uma revisão rápida, é importante discutir o caminho de retorno dos sinais CA de alta velocidade. Ao examinar o caminho de retorno de um sinal DC, o referido caminho é simplesmente o caminho de menor resistência de volta ao componente de origem. Os caminhos de retorno do sinal AC seguem o caminho de menor impedância. Isso significa que as correntes do caminho de retorno do sinal CA permanecem localizadas na área abaixo de seus traços de sinal de origem. A exceção a esta regra é que quando você quebra o plano de aterramento abaixo de um sinal AC de alta velocidade, você forçará a corrente de retorno para o referido sinal para criar um loop de radiação. Esse tipo de loop é tanto uma fonte quanto um dissipador de ruído irradiado e deve ser evitado sempre que possível. Esta breve revisão deve lembrar o leitor de uma das duas regras básicas de redução de EMI (interferência eletromagnética):Mantenha os caminhos de retorno o mais próximo possível de seus caminhos de sinal de origem para evitar a criação de loops de corrente de retorno. A outra regra básica de redução de EMI é certificar-se de usar apenas um plano de referência. Se dois forem usados, o PCB se tornará efetivamente uma antena dipolo. Com esta rápida revisão em mãos, vamos prosseguir para as especificidades do layout de sinal misto.

Topologias de sinal misto

Muitas vezes, a primeira inclinação de um projetista é simplesmente separar a parte analógica da placa da parte digital usando um esquema de aterramento analógico e digital. O problema com esse esquema é que quando as conexões são feitas do lado digital para o lado analógico da placa, a placa (como discutido na seção anterior) efetivamente se torna uma antena dipolo. Qualquer projeto desse tipo será inerentemente suscetível ao ruído elétrico e, da mesma forma, muito ruidoso eletricamente.


Outra abordagem comum para este problema é simplesmente conectar o terra analógico e digital em um único ponto (muitas vezes o trilho negativo da fonte de alimentação sendo usado com o projeto). Esta é uma solução muito ruim, pois quaisquer traços conectando o lado digital ao analógico da placa agora formarão uma antena de loop através do ponto de conexão de aterramento que irradiará do seu design e receberá ruído elétrico do seu design. Além disso, os traços que conectam as partes de terra independentes de sua placa criarão efetivamente uma antena dipolo. Ambos os efeitos produzirão um design muito barulhento e suscetível a ruídos.


Ainda outra abordagem comum (embora um pouco mais eficaz) para projetar uma placa de sinal misto é uma configuração em que as partes analógica e digital da placa são conectadas diretamente uma à outra por meio de uma "ponte". Enquanto os aterramentos digitais e analógicos estão diretamente conectados entre si em tal esquema, todos os traços de conexão do lado analógico para o lado digital da placa são roteados acima da parte da placa onde os aterramentos analógicos e digitais estão conectados. Desta forma, os sinais CA de alta velocidade que vão entre os dois circuitos terão um caminho de retorno direto, mas os planos de aterramento ainda serão um pouco segregados. Essa configuração do tipo ponte permitirá, em teoria, que o lado digital da placa tenha o mesmo plano de aterramento que o lado analógico da placa, mas com mais isolamento do que simplesmente ter as duas partes da placa compartilhando um plano de aterramento contínuo. Embora esse tipo de configuração normalmente resulte em uma placa com bom desempenho, por que usar uma ponte em primeiro lugar? As correntes de retorno do sinal CA de alta velocidade permanecerão inerentemente muito próximas de seus traços de origem, de modo que a necessidade de uma ponte pode ser evitada pelo roteamento consciente de sinais digitais.


A melhor e mais fácil abordagem para completar um layout de sinal misto é simplesmente dividir a placa de circuito em uma partição analógica e uma partição digital. Essas duas partições podem então compartilhar o mesmo plano de aterramento, que será constituído de uma larga placa de cobre. A interferência entre os dois lados pode ser facilmente evitada não roteando os sinais digitais de alta velocidade para a parte analógica do PCB.


Segue-se que em qualquer uma dessas configurações a linha divisória onde as partições são separadas será a localização lógica do conversor analógico para digital ou conversores usados ​​no projeto da PCB. Não é inédito ver conversores analógicos para digitais abrangendo planos de terra analógicos e digitais isolados, mas, como discutido, uma solução muito boa é simplesmente colocar os conversores analógicos para digitais ao longo da linha divisória das partes digital e analógica da placa, onde a placa tem um único plano de terra contínuo.


Finalmente, vale a pena mencionar outras abordagens para isolar a parte analógica da parte digital da placa. Não é incomum acoplar opticamente a parte digital da placa com o lado analógico usando isoladores ópticos. Desta forma, as partes analógicas e digitais da placa podem, de fato, ter seus próprios planos de aterramento isolados eletricamente. Esse tipo de configuração também funciona isolando as duas partes de uma PCB por meio de um transformador, onde os dois lados da placa são acoplados magneticamente. Embora ambas as abordagens sejam válidas, elas geralmente são reservadas para aplicações especiais.

Regras Gerais

Aqui está um resumo das regras gerais para o layout de uma placa de circuito impresso de sinal misto:
• Comece definindo as partes analógicas e digitais do seu projeto.
• Particione sua placa de circuito impresso em uma parte analógica e uma parte digital.
• Certifique-se de que os componentes digitais e analógicos sejam atribuídos às suas respectivas partições.
• Nunca roteie sinais digitais pela parte analógica da placa e nunca roteie sinais analógicos pela parte digital da placa.
• />• Posicione os conversores analógico para digital de tal forma que eles ultrapassem a linha divisória entre as partições analógicas e digitais da placa.
• Usar um único plano de aterramento sólido produzirá os melhores resultados, com o benefício adicional de sendo a abordagem mais fácil.
• Se um traço de sinal deve ser roteado da partição analógica para a digital, certifique-se de que esteja localizado inteiramente sobre o plano de terra da placa.


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