Страница 296 из 436
НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ПРАВИЛА КОМПОНОВКИ ПЛАТЫ ДЛЯ СИСТЕМ СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИ
Очевидно, что шум может быть минимизирован при тщательной компоновке устройства и при минимизации влияния различных сигналов друг на друга. Аналоговые сигналы высокого и низкого уровней должны быть разделены, и те и другие должны размещаться отдельно от цифровых сигналов. Часто бывает, что в системах с преобразованием сигнала в цифровую форму и обратно сигнал тактовых импульсов (являющийся цифровым сигналом) так же чувствителен к шуму, как любой аналоговый сигнал, но он в то же время способен создавать шум, как и любой цифровой сигнал, поэтому должен быть изолирован как от аналоговых, так и от цифровых систем. Если для выработки тактовых импульсов используется ИС, то только одна частота должна вырабатываться одной ИС. Совмещение тактовых генераторов различной частоты в одной ИС приведет к появлению дополнительного фазового шума и взаимных помех и ухудшит производительность системы.
Заземляющая поверхность может работать как экран, где пересекаются чувствительные сигналы. На рисунке 10.25 показана хорошая компоновка платы сбора данных, где все чувствительные области изолированы друг от друга и пути сигналов укорочены насколько возможно. В тех редких случаях, когда в реальности все так же идеально, этот принцип действует.
Существует ряд важных точек, на которые надо обратить внимание при выполнении соединений питания и сигналов. Во первых, разъем — это одно из мест в системе, где все сигнальные провода должны идти параллельно — значит нужно обязательно перемежать их с проводами заземления (создать электростатический экран), чтобы уменьшить взаимодействие между ними.
Множество выводов заземления важно по еще одной причине: они обеспечивают низкое сопротивление заземления в соединении платы устройства с остальной схемой. Контактное сопротивление одного вывода соединителя печатной платы достаточно низкое (порядка 10 мОм) когда плата новая, когда же плата стареет, сопротивление контактов может увеличиться, и работа платы может быть нарушена. Поэтому очень рекомендуется использовать дополнительные контакты разъема печатной платы так, чтобы было достаточно много соединений заземления (хотя бы 30–40 % от всех контактов разъема печатной платы должны быть контактами заземления). По тем же причинам должно быть несколько контактов для каждого соединения питания, хотя, конечно, не так много, как контактов заземления.
Изготовители высокопроизводительных ИС со смешанными сигналами, такие как Analog Devices, предлагают оценочные платы для того, чтобы помочь заказчикам в их предварительных разработках и компоновке. Оценочные платы АЦП обычно содержат генератор тактовых импульсов с низким фазовым шумом, выходные регистры и необходимые соединения питания и сигналов. Они также могут содержать дополнительные вспомогательные схемы, такие как входной буферный усилитель и внешний источник опорного напряжения.
Компоновка оценочной платы оптимизируется по условиям заземления, развязки и разводки сигналов, и может служить образцом при компоновке платы АЦП в устройстве. Обычно получить разводку такой оценочной платы можно у производителя АЦП в формате САПР (Gerber). Во многих случаях разводка различных слоев показана в технической документации на устройство.
Методы изоляции цифровых сигналов
Уолт Кестер
Одним из средств размыкания паразитных контуров заземления является использование изолирующих методов. Аналоговые изолирующие усилители часто находят применение там, где требуется высокая степень изоляции, например, в медицинском оборудовании. Методы цифровой изоляции обеспечивают надежный способ передачи цифрового сигнала через интерфейс, не вызывающий помех на заземлении.
Оптопары (также называемые оптроны) используются весьма широко и выпускаются различных видов и в различных корпусах. Типичная оптопара, содержащая светодиод (LED) и фототранзистор показана на рис. 10.26. Ток величиной приблизительно 10 мА течет через светодиодный излучатель; излучаемый свет принимается фототранзистором. Света, производимого светодиодом, достаточно, чтобы привести фототранзистор в состояние насыщения. Обычно обеспечивается изоляция на напряжение до 5000–7000 В. Хотя оптопары прекрасно подходят к цифровым сигналам, они слишком нелинейны для большинства аналоговых применений. Кроме того, необходимо понимать, что т. к. фототранзистор работает в режиме насыщения, время нарастания и спада может быть порядка 10–20 мкс в медленных оптопарах, таким образом их применение на высоких скоростях ограничено.
ИЗОЛЯЦИЯ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА с помощью СВЕТОДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ОПТОПАРЫ
• Для передачи сигнала через высоковольтный барьер используется свет
• Излучателем является светодиод, а приемником — фототранзистор
• Изоляция рассчитана на высокое напряжение: от 5000 В до 7000 В
• Устройство нелинейно — подходит для цифрового или частотного сигнала
• Время нарастания и спада в медленных оптопарах может составлять 10–20 мкс
• Пример: Siemens ILQ-1 Quad (http://www.siemens.com)
Рис. 10.26
Более быстродействующая архитектура показана на рис. 10.27, она основана на применении светодиода (LED) и фотодиода. LED и здесь управляется током величиной приблизительно 10 мА. Это обеспечивает выход света, генерирующий ток в получающем фотодиоде, достаточный для образования достоверно высокого логического уровня на выходе усилителя. Скорость может сильно отличаться у различных оптопар, самые быстрые обычно имеют типичную задержку на прохождение 20 нс (максимум 40 нс) и могут обеспечивать скорость данных до 25 MBd. Это соответствует рабочей частоте 12.5 МГц для прямоугольных колебаний и длительности минимально возможного проходящего импульса 40 нс.
ИЗОЛЯЦИЯ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ СВЕТОДИОДНО-ФОТОДИОДНОЙ ОПТОПАРЫ
• Напряжение питания +5 В
• Допустимое напряжение между входом и выходом 2500 В
• Частота цифрового сигнала: максимум 12.5 МГц
• Максимальная скорость данных 25 MBd
• Максимальная задержка на прохождение 40 не
• Типичное время нарастания/спада 9 нс
• Пример: Agilent HCPL-7720
• (http://www.semiconductor.agilent.com)
Рис. 10.27
Микросхемы ADuM1100А и ADuM1100В — это цифровые изоляторы, работа которых основана на технологии изоляции Analog Devices ///«Isolation™. Сочетая в себе высокоскоростную КМОП-схему и монолитный трансформатор без сердечника, эти изолирующие компоненты обеспечивают более высокие рабочие характеристики, чем обычные оптопары, описанные выше.
ИС ADuM1100А и ADuM1100В, выпускающиеся совместимыми по выводам с существующими высокоскоростными оптопарами для обеспечения возможной замены, поддерживают скорость данных 25 MBd и 100 MBd соответственно. Функциональная схема этих устройств показана на рис. 10.28.
ADuM1100А и ADuM1100В работают при напряжении питания либо 3.3 В, либо 5 В, имеют задержку на прохождение меньше 10 нс, асимметрию фронта импульса меньше 2 нс, время нарастания/спада меньше 2 нс. Они работают при очень низком энергопотреблении, ток покоя составляет менее 600 мкА (сумма с излучающей и приемной сторон) и динамическом токе менее 230 мкА на 1 MBd скорости передачи данных. В отличии от обычного трансформатора эти устройства обеспечивают корректную передачу постоянного тока с помощью патентованной схемы обновления, которая постоянно корректирует выходной сигнал.