Projektowanie PCB dla precyzyjnych pomiarów analogowych: masa, upływność, ścieżki ochronne

Schemat toru pomiarowego może być bez zarzutu, a pomiar i tak szumi, dryfuje albo zależy od tego, czy ktoś dotknął obudowy. W elektronice czujnikowej layout płytki drukowanej jest częścią układu pomiarowego. Poniżej zebraliśmy zasady, które stosujemy przy projektowaniu PCB dla torów analogowych i mixed-signal.

1. Najpierw prądy, potem ścieżki

Każdy prąd wraca do źródła, a drogą powrotną jest masa. Zanim narysujesz pierwszą ścieżkę, zaplanuj, którędy będą płynąć prądy powrotne części cyfrowej, zasilania i obwodów analogowych. Najczęstszy błąd to prąd powrotny procesora albo przetwornicy płynący pod wrażliwym wejściem wzmacniacza.

• Stosuj ciągłą płaszczyznę masy na warstwie przylegającej do sygnałów i nie przecinaj jej ścieżkami.
• Zamiast dzielić masę na „analogową” i „cyfrową” cięciami, zwykle lepiej jest podzielić płytkę na strefy, tak by prądy cyfrowe nie przechodziły przez strefę analogową.
• Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) traktuj jako element analogowy. Producenci zwykle zalecają łączenie jego mas w jednym punkcie pod układem.

2. Upływność i wejścia o dużej impedancji

Przy pomiarach prądów rzędu pikoamperów lub rezystancji rzędu gigaomów laminat i maska lutownicza przestają być idealnymi izolatorami. Wilgoć i pozostałości topnika tworzą ścieżki upływu, a ich rezystancja zmienia się z wilgotnością powietrza.

• Otaczaj wejście o dużej impedancji ścieżką ochronną (guard) prowadzoną na potencjale wejścia, na każdej warstwie, przez którą przechodzi sygnał. Skoro między wejściem a ścieżką ochronną nie ma różnicy potencjałów, nie płynie między nimi prąd upływu.
• W krytycznych miejscach usuń maskę lutowniczą albo wykonaj frezowane szczeliny w laminacie.
• Rozważ montaż węzła wejściowego „w powietrzu” na teflonowych kołkach, jeśli prądy są naprawdę małe.
• Zaplanuj mycie płytki po montażu i ewentualne lakierowanie z otworem na czujnik.

3. Pojemności pasożytnicze

W pomiarach pojemnościowych i impedancyjnych pojemność ścieżki to część mierzonej wielkości. Dlatego:

• prowadź połączenia do elektrod pomiarowych możliwie krótko i symetrycznie;
• ekranuj je aktywnie (ekran sterowany potencjałem sygnału), zamiast prowadzić tuż nad masą;
• pamiętaj, że pojemność ścieżki zmienia się z temperaturą i wilgotnością laminatu.

4. Termika

Gradient temperatury na płytce wywołuje siły termoelektryczne na złączach różnych metali (rzędu mikrowoltów na stopień) i zmienia parametry elementów. Stabilizatory, procesor i nadajnik radiowy wydzielają ciepło.

• Odsuń źródła ciepła od wejść analogowych, referencji napięcia i czujników temperatury.
• Umieszczaj elementy różnicowego toru wejściowego symetrycznie, tak by gradient działał na nie jednakowo.
• Sprawdź gotowy prototyp kamerą termowizyjną. To kilka minut, które często wyjaśniają „tajemniczy dryf”.

5. Zasilanie i referencje

• Kondensatory odsprzęgające umieszczaj tuż przy wyprowadzeniach zasilania i z krótką drogą do masy.
• Dla części analogowej rozważ osobny stabilizator LDO o niskim szumie za przetwornicą impulsową.
• Referencję napięcia traktuj jak sygnał: filtruj ją i trzymaj z dala od źródeł zaburzeń.

6. Testowalność

Zaplanuj punkty testowe w kluczowych węzłach toru oraz możliwość odłączenia sekcji zworką lub rezystorem 0 Ω. Przyda się też miejsce na elementy kalibracyjne. Pierwsza wersja płytki czujnika to niemal zawsze płytka badawcza. Im łatwiej ją zmierzyć, tym szybciej powstanie druga, właściwa wersja.

Źródła

1. Horowitz P., Hill W. (2015). The Art of Electronics, wyd. 3. Cambridge University Press.
2. Ott H. W. (2009). Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley.
3. Keithley Instruments / Tektronix. Low Level Measurements Handbook, wyd. 7.
4. IPC-2221B. Generic Standard on Printed Board Design.

• PCB
• elektronika analogowa
• metody pomiarowe