Где я могу поместить цифровую землю в двухканальную цепь смешанного сигнала?

Я работаю над проектом для школы (дискретный АЦП с двойным наклоном), который будет сочетать цифровые и аналоговые схемы и работать от двухканального питания ± 15 В. Как и ожидалось, «аналоговая земля» будет на 0 В. Однако я не уверен, где я должен заземлять свои цифровые схемы.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

  • Должен ли я поместить цифровое заземление в тот же узел, что и аналоговое заземление? Или он должен быть подключен к моему источнику -15 В с VCC, отрегулированным до -10 В?
    • Поскольку я имею дело с «прецизионной» аналоговой схемой, я хочу минимизировать шум переключения.
    • Мои регуляторы Vref привязаны к земле и управляют +Vref и -Vref через контуры обратной связи (не показаны).
    • Цифровой выход аналогового блока будет либо с открытым коллектором, либо с открытым стоком, поэтому я могу настроить уровень выходного сигнала по мере необходимости.
  • Первый вариант более интуитивен, но будет ли второй предлагать значительно лучшую производительность?
  • В цифровой части я планирую использовать смесь микросхем 74HC и 74AHC. Будет ли использование чипов AHC на скоростях HC создавать больше шума при переключении, чем при использовании всех чипов HC?
  • Какая степень развязки необходима? Будет ли достаточно конденсаторов 100 нФ на каждом цифровом чипе плюс около 10 мкФ между питанием и землей?

Ответы (3)

Конечно, все заземления (аналоговые и цифровые) в большинстве своем должны быть электрически соединены, так как их отсутствие приведет к бесконечным проблемам. Как предлагает Neil_UK, используйте схему заземления «звезда», см. эту статью . Это необходимо для предотвращения токов, протекающих через заземляющие соединения, которые создают напряжение в заземлении других (несвязанных) цепей.

Минимизируйте коммутационный шум, создаваемый вашими схемами, сохраняя короткие контуры , что означает добавление конденсаторов развязки питания на выводы питания всех отдельных ИС и особенно логических ИС. Как правило, хорошей идеей является параллельное использование двух конденсаторов разного размера, таких как 100 нФ и 100 пФ.

Чем выше скорость чипа, тем быстрее будут его переходы и тем больше гармоник он будет производить. Если вам не нужен 74AHC по соображениям производительности, я бы остановился на более медленной версии, такой как 74HC.

Я бы поставил 10 мкФ там и сям в линии питания, 10 мкФ колпачки не так много делают на высоких частотах (выше 1 МГц). 100 нФ лучше, поэтому также используйте их, а 1 нФ или 100 пФ лучше всего подходят для высоких частот, поэтому обычно нет ничего плохого в добавлении (место для) и их. Обратите внимание, что на печатной плате вы можете просто добавить место для конденсатора, а потом решить не использовать его. Добавление конденсатора в место, где для него нет места, намного сложнее.

Мой учитель также обнаружил, что Freescale/NXP/Nexperia и Texas Instruments создали примечания к приложениям на эту тему.

Цифровая земля, безусловно, должна иметь тот же потенциал, что и ваша аналоговая земля. На самом деле, вы должны использовать прецизионную аналоговую землю в качестве «звездной точки» для всех других площадок.

Это может показаться странным, но это гарантирует, что все токи, протекающие по любому из заземлений, особенно по заземлению источника питания и по цифровым возвратам, не создают перепадов напряжения, которые могут возникнуть где угодно.

Несколько лет назад запустил микросхему с большим количеством перекрестных помех на микросхеме между регистрами конфигурации SPI и различными настраиваемыми аналоговыми функциями.

Вскоре мы устранили перекрестные помехи, добавив резисторы 100 кОм (полисиликон) и встроенные конденсаторы 10 пФ между каждым битом конфигурации и конфигурируемой аналоговой схемой. Мы использовали интерфейсы CMOS, поэтому сопротивление 100 кОм было приемлемым.

Резюме: я предлагаю вам создать 3-ю область между прецизионным аналоговым и зашумленным цифровым сигналом. Эта область содержит буферы с частной фильтрацией мощности, а сигналы, идущие туда и обратно между аналоговым и цифровым, буферизуются в новой 3-й области. Буферизованные сигналы, идущие к аналоговому сигналу, получают резисторы 100 кОм и конденсаторы 10 пФ, привязанные к аналоговой земле, чтобы замедлить фронты управляющих сигналов и не вводить мусор.

Примеры такого мышления можно найти в технических описаниях 24-битных АЦП Linear Technology, в частности, в разделе «Приложение/печатная плата», где показаны буферные и изолирующие резисторы и т. д.