Curso breve sobre el diseño de placas de circuito impreso para los ADC de alta velocidad

La intención es crear la guía de diseño más concisa posible. Esto va en contra de nuestra filosofía general de escribir para minimizar el número de llamadas telefónicas. Esto probablemente generará unas cuantas llamadas telefónicas porque no se dan las razones del consejo. Son objeto de un documento mucho más extenso para los que tengan más tiempo o capacidad de atención. Este documento es para los que buscan una lista de control. Sigue estas reglas para el diseño de la placa de circuito impreso y evitarás problemas, al menos con los ADC de alta velocidad.

Pero primero, algunos comentarios:

El uso de ADCs de alta velocidad, especialmente las nuevas generaciones en tecnologías de proceso de bajo voltaje, significa que te enfrentas a artefactos que se extienden más allá de la frecuencia, por ejemplo hasta 10 GHz en los ADCs de Linear Technology que utilizan procesos de 1,8V. Esta situación persiste independientemente de la frecuencia del reloj o de la frecuencia de entrada. Las bajas frecuencias de muestreo reducen la potencia de estos artefactos extendidos (productos de mezcla reflejados en la ruta de entrada), pero siguen estando ahí. Para los ingenieros de RF, el ADC se parece mucho a un mezclador pasivo: los mismos productos de mezcla, los mismos procedimientos. Las reflexiones de las discontinuidades de impedancia son muy importantes en la entrada analógica y, en menor medida, en la entrada de reloj, y aún menos en las salidas digitales, pero siguen siendo importantes. Las entradas de reloj tienen un ancho de banda de entrada de 2-3 GHz. Los ingenieros digitales suelen considerar el reloj como una señal lógica, pero no puede tener ningún margen de ruido; es como el oscilador local de una radio. Un dV/dt más elevado reduce en cierta medida su sensibilidad al ruido.

1. No hay divisiones en el plano de tierra a través de una ruta de señal.
La corriente de tierra no debe considerarse como una corriente de retorno, como se suele decir. El movimiento de los electrones en el suelo refleja la propagación de la señal en todos los metales circundantes, propagándose de forma conjunta. La propagación de un frente de onda en la línea de transmisión induce un flujo de corriente en el suelo. Si la corriente de tierra tiene que desviarse debido a un camino interrumpido, se desarrollará una diferencia de potencial a través de la interrupción y, por extensión, se inducirá en todo lo que esté conectado a tierra en esos puntos. La magnitud de esta diferencia de potencial es proporcional al contenido de frecuencia de la señal y a la longitud e impedancia del trayecto de la corriente de tierra desviada. No puedes empujar una corriente alta a través de un estrechamiento sin retraso. Un cable que vuelve a la alimentación, o peor aún, un cordón o un inductor es una constricción.

2. Se mantiene compacto.
Reduce la distancia a los puntos donde todo está conectado a tierra, incluidos los condensadores de derivación. Extender las trazas hasta un condensador de derivación y luego continuar hasta las vías de tierra simplemente crea una antena. La derivación a tierra en la parte inferior de la placa implica otro plano que puede estar fuertemente acoplado a los planos de potencia, más que el plano bajo el ADC. Del mismo modo, la conexión a tierra de un balun debe estar lo más cerca posible de la línea central del conector, si lo hay, y lo más cerca posible de la línea de transmisión, no en un ángulo de 90 grados como en el diagrama.

3. No compartas las vías.
No comparte vías entre las señales que son ofensivas entre sí. La derivación de la fuente de alimentación es ofensiva para la señalización; la entrada analógica es ofensiva para la referencia y el reloj, y así sucesivamente. Supón que todos los pines de un ADC son ofensivos para todos los demás.

4. Inundación de cobre en el suelo cada 50 milímetros.
Si utilizas cobre inundado, conéctalo con vías cada 50 milésimas de pulgada más o menos en la periferia. Utiliza una separación más estrecha si estás produciendo una barrera colocada entre posibles interferencias. El cobre mal conectado a tierra actuará como intermediario en los mecanismos de diafonía, y como antena, e irradiará y recibirá.

5. No inundes demasiado cerca de las líneas de señal.
Pues no, si comprendes la propagación coplanar de la señal y eres capaz de mantener trayectorias de corriente a tierra ininterrumpidas a ambos lados de la línea de transmisión. Cualquier hueco en estas vías debe tener un grupo de vías a ambos lados para permitir que la corriente de tierra fluya con un mínimo de desviaciones.La propagación de la corriente de tierra coplanaria será sensible a las vías demasiado cercanas al borde, ya que la variación de la impedancia característica produce pérdidas.

6. No inundes sólo un lado de un par diferencial, ¡y menos la entrada analógica!
La red de entrada analógica debe ser absolutamente simétrica y ambas líneas deben comportarse de forma idéntica para los transitorios de modo común de 2 a 5 GHz que se producen en la ruta de entrada. Si hay una carga de un elemento vecino, refleja los detalles en ambos lados, de lo contrario no es verdaderamente diferencial e irradiará, y traducirá las perturbaciones de modo común con contenido de carga no lineal en un error diferencial, o una pérdida de SFDR. Incluso un par diferencial totalmente equilibrado que alimente las entradas analógicas irradiará armónicos de modo común del reloj, si está en la superficie. Para los componentes de modo común, el par diferencial es como una línea de contacto. Estos productos se captan, se amplifican, se traducen en frecuencia y se vuelven muy confusos de identificar si tienes un mezclador en el mismo compartimento. Incluso las salidas LVDS deben estar cargadas de forma equilibrada o, como cualquier par, enviarán ruido digital de modo común a la fuente y producirán corriente de modo común en el destino. La corriente de modo común inducirá un rebote de tierra en el sustrato del ADC, que, como cualquier dispositivo de silicio, está conectado a tierra sólo mediante cables de enlace. La corriente de modo común en la entrada analógica pondrá a prueba las capacitancias de las masas virtuales internas, y probará el rechazo de modo común del ADC.

El rechazo del modo común de alta frecuencia, como en cualquier amplificador, está limitado por la posición y la deformación de los hilos de unión durante el moldeado, y por las características de la placa de circuito, tal vez antes de las limitaciones de fabricación para producir entradas, interruptores y condensadores adecuados.

7. No pongas discontinuidades de impedancia a 100-200 pseg (800 mils a 1,5 pulgadas en FR4) del CAD.
Esto significa que no está en la ruta de entrada analógica, y ni siquiera en la ruta del reloj. Por discontinuidades me refiero a condensadores, o aberturas (inductores) o incluso almohadillas más anchas que las líneas de transmisión. Si tienes que colocar cosas como un condensador de derivación más cerca de esta distancia, debes tener resistencias en serie en el extremo con el cortocircuito. El condensador es un cortocircuito de alta frecuencia. Si el condensador está muy cerca del ADC, las resistencias podrían ser de 10Ω, aproximadamente. Si la distancia está entre 100 y 200 pseg, estas resistencias deben ser de 49,9Ω, suponiendo que la Zo de las líneas es de 50Ω/lateral.

Si tienes un transformador de línea de transmisión, la terminación (terminación de tierra de CA simétrica) probablemente debería estar en el transformador, para que la alta impedancia de modo común no envíe transitorios de reloj de vuelta al ADC. Los transitorios de reloj devueltos estarían ligeramente sesgados debido a la asimetría en la construcción del transformador, y como hay una carga no lineal, esto degradará la SFDR. Desgraciadamente, todo es un compromiso, así que esto también devolverá una componente diferencial al ADC, ya que la impedancia del transformador está terminada en paralelo con la fuente de la señal. Por tanto, el transformador de la línea de transmisión no debe estar a menos de 100-200 pseg del ADC, y en general debe estar lo más cerca posible. Si la terminación está lejos de un transformador de línea de transmisión, el par de transmisión no debe estar acoplado en el borde, sino dos líneas emparejadas con cierta distancia entre ellas. Se puede considerar una terminación parcial en el transformador de la línea de transmisión, con una terminación diferencial final en el ADC o después de él. En este caso, el transformador de la línea de transmisión debe ser remoto.

Un transformador de flujo acoplado con una toma central es una situación diferente, ya que tiene una baja impedancia de modo común, y la polaridad de la reflexión de retorno se invertirá. Algunos ADCs tienen una baja impedancia de modo común, otros no. La terminación de modo común debe proporcionarse en la toma central si no está claro qué topología es preferible.

Extender la línea de transmisión y colocar la terminación después del ADC, realmente al final de la línea de transmisión, en lugar de un punto antes de las almohadillas de la caja, antes de los cables de enlace, ha demostrado dar los mejores resultados -de nuevo, suponiendo que el conductor/filtro/transformador esté fuera de esta distancia crítica. Colocar la terminación después del ADC requiere un cambio de capa en los pads de entrada o muy cerca de ellos. Si la señal de entrada se propaga a través de las capas internas, o hacia atrás, la terminación puede estar en la superficie opuesta al ADC.

8. No crees acopladores direccionales donde no los quieres.
No dejes que ninguna señal se propague a lo largo del reloj de codificación, ni siquiera desde otras líneas de reloj, en fase o no. Un ADC tendrá un rebote de tierra y habrá perturbaciones reflejadas en las líneas por la retroalimentación de Miller en el receptor del reloj. La dirección de máximo acoplamiento en un acoplador direccional es como un reflejo de la región acoplada, y será máxima para la potencia reflejada de otros ADCs en sus vecinos. Lo mismo ocurre si se coloca una línea de reloj junto a una línea de datos, la potencia transmitida a la carga, la FPGA, se reflejará en la entrada de reloj. Es un error común pensar que el reloj no es sensible al cambio de estado de las líneas de datos. No cuentes con ello. Cualquier reflejo, en las líneas de datos, o en el reloj, lo conservará para crear un problema. No quieres ninguna señal en un radio de 30-50 mils en la misma capa para las aplicaciones de sobremuestreo, y nada más que cobre conectado a tierra cerca para las aplicaciones de submuestreo, que son más sensibles al jitter del reloj.

Ten cuidado con las trazas en las capas por encima y por debajo de las trazas del reloj. No pongas los relojes en los planos de alimentación o en los huecos, ni cerca de los bordes entre los planos.

9. Mantiene los objetos ruidosos y sensibles, incluido el ADC, alejados de los bordes.
Un condensador conectado a tierra en el borde de un plano no está tan bien conectado a tierra como un condensador conectado a tierra en el centro de un plano.

10. Cuidado con el solapamiento de los planes de alimentación.
Todas las superposiciones son las placas de los condensadores sin plomo. Y estos condensadores tendrán, a altas frecuencias, la menor impedancia posible, por lo que cualquier ruido acoplado será muy difícil de suprimir con condensadores que tengan inductancia de plomo.

11. Conecta a tierra los condensadores de derivación en el mismo plano que el que está debajo del ADC.
Como alternativa, si debes colocar condensadores de derivación en la parte inferior, crea un pequeño plano de potencia (esencialmente un condensador sin plomo) inmediatamente debajo del plano de tierra bajo el ADC. Al decir inmediatamente abajo, me refiero a no más de 10 milímetros. Este plano debe extenderse al menos 500 mils alrededor de las vías Vdd u OVdd, y no debe compartirse con otros dispositivos. Tanto Vdd como OVdd pueden tratarse de esta manera. Si la derivación se devuelve a un plano distinto de aquel al que está conectada la paleta, debe haber un número importante de vías para proporcionar una vía de retorno a la paleta. Coloca el bypass en la parte inferior con la tierra mirando hacia el ADC.

12. Los condensadores de derivación de una etapa de salida deberán estar conectados a tierra con la carga.
Esta es una afirmación general que se aplica a cualquier aparato y a cualquier carga. Esto parece entrar en conflicto con la última afirmación del punto 11, y en algunos casos existe un conflicto. El hecho de que el recorrido de la corriente a tierra no deba ser más largo que el de la señal, debería sugerir un grupo de vías entre la rama OVdd y la carga, para un recorrido mínimo de la corriente a tierra. Como la corriente de tierra "vuelve" tanto a las clavijas de tierra de un aparato como al punto en el que se conecta a tierra la rama de salida, y como estas dos tierras pueden estar en puntos diferentes, en la fuente o el sumidero de corriente interviene un camino diferente. La diferencia entre estos caminos debe minimizarse, lo que significa, en el caso de un ADC, que OVdd debe conectarse a tierra lo más cerca posible de la masa OGND del ADC. Si el bus de datos pasa a través de la placa y se propaga por la parte inferior, entonces la rama OVdd de la placa posterior podría conectarse a tierra entre las líneas de datos de la placa posterior, pero incorporando el plano de potencia mencionado anteriormente para reducir la impedancia de alta frecuencia en los pines OVdd. Como la señalización LVDS es diferencial, no implica tanta corriente de tierra como la señalización CMOS. Por cierto, los puntos en los que se conecta a tierra el bypass de salida del amplificador pueden transportar corrientes de clase AB, lo cual es un inconveniente si se comparten las vías de tierra.

13. Las vías de tierra deben intercalarse entre las líneas de datos en cada cambio de capa.
Cualquier cambio de capa para la señalización de un solo extremo (por ejemplo, CMOS) deberá estar rodeado de un grupo de vías para la corriente de tierra.

14. No utiliza el alivio térmico innecesariamente en las vías de tierra.
Si hay que soldar un aparato a tierra, utiliza un colector térmico en lugar de un alivio térmico que puede comprometer la toma de tierra. Esto significa una placa de cobre vertida y conectada a tierra, quizás con una gran vía y una distribución de vías más pequeñas para que el calor de reflujo desarrolle una temperatura adecuada en las almohadillas a pesar de la carga térmica de la gran vía. Esto puede aplicarse tanto a los dispositivos ramificados como a los activos, y mejorará la soldadura, al tiempo que producirá una conexión a tierra de baja inductancia.

15. Piensa en el proceso de soldadura.
Garantiza una absorción uniforme del calor por parte de todos los salientes alrededor del CAD, al igual que en los BGAs, donde la carga de calor en todas las bolas debe ser similar. Las temperaturas disímiles desarrolladas durante el reflujo degradarán el proceso de soldadura, llegando a producir aberturas.

16. Una tarea para casa.
Desmantela cualquier teléfono móvil desechado que llegue a tus manos, ya sea que lo encuentres destrozado en un aparcamiento detrás de un pub irlandés, sumergido en un charco a la salida de una tienda de bricolaje o en una tienda de segunda mano regentada, si quieres, por señoras mayores. Los teléfonos móviles suelen ser buenos ejemplos de cómo utilizar la placa como escudo entre subsistemas mutuamente ofensivos, haciendo un uso eficaz de las microvías, realizando cambios de capa con traslación de frecuencia y estropeando la eficiencia de la antena... que suele ser lo que quieres alrededor de un ADC.

17. El diseño del filtro debe tener en cuenta la distancia al CAD y la distancia al piloto.
Un filtro debe diseñarse teniendo en cuenta la disposición, y si la disposición lo dicta, puede ser necesario modificar el diseño del filtro para adaptarlo a la distancia al ADC. Esto es realmente el tema de un artículo separado. Hay que volver a simular el filtro una vez que hayas extraído los datos espurios de la placa de circuito impreso, ya sea mentalmente o con el software.

18. No confíes en nadie.
Presta atención a tu proveedor de placas de circuito impreso, a los servicios de CAD y a los expertos en integridad de la señal, pero prepárate para llamarles la atención. Pregunta a los expertos en integridad de la señal sobre el margen de ruido de las entradas de reloj si quieres divertirte. Sugerencia: pueden asumir márgenes de ruido LVPECL si conduces el reloj con LVPECL.

19. Las vías son baratas.
Cada vía de 10 mil en una placa de 0,625 pulgadas tiene aproximadamente 1 nH, o 6,28Ω a 1 GHz. Utiliza muchos de ellos.