Masas en una tarjeta con ADC, paso a paso

Los principios son fáciles de compartir y difíciles de aplicar, así que esta lección coge una tarjeta y toma en ella todas las decisiones de masas, con el motivo pegado a cada una.

La tarjeta está inventada para la ocasión. Es deliberadamente corriente, porque lo interesante es el razonamiento y no la novedad.

La tarjeta

Una tarjeta de instrumentación de cuatro capas, de unos 70 mm por 50 mm:

• Un sensor en puente que entrega unos pocos milivoltios, conectado por un

cable apantallado corto a un conector en un borde.

• Un amplificador de instrumentación y un filtro de segundo orden.
• Un convertidor SAR de 16 bits con interfaz serie y su propia referencia.
• Un microcontrolador que lee el convertidor y gobierna una interfaz USB.
• Un regulador conmutado que saca el raíl digital de una alimentación externa,

y un regulador lineal que saca de ahí el raíl analógico.

Stackup, decidido antes que nada: señal, masa, alimentación, señal. Un plano de masa continuo en la capa 2, debajo de todo.

La colocación, que es donde se deciden las masas

La colocación es el diseño de masas. Todo lo que viene después es contabilidad.

Dibuja primero la partición. Una línea que cruza la tarjeta, analógico a la izquierda, digital a la derecha. Es una línea en tu cabeza y en la colocación, no en el cobre.

Conectores en extremos opuestos. El del sensor en el borde izquierdo, el USB en el derecho. La corriente de retorno del sensor no tiene ningún motivo para viajar por la mitad digital, y la del USB no lo tiene para viajar por la analógica, porque ninguno de los dos conectores está cerca de la otra mitad.

El convertidor va sobre la partición. Pines analógicos mirando a la izquierda, digitales a la derecha. Ésta es la colocación con más consecuencias de toda la tarjeta. Gíralo 180 grados y las pistas de la interfaz serie tienen que cruzar la región analógica para llegar al microcontrolador, arrastrando corriente de retorno digital por encima.

El regulador conmutado va a la esquina más lejana de la mitad digital. Su lazo de conmutación es el lazo de corriente más ruidoso de la tarjeta. La distancia no es para alejarlo en general, es para que su lazo de retorno quede separado geográficamente de la región de referencia analógica.

El regulador lineal del raíl analógico va junto a la sección analógica, en la frontera, alimentado desde el lado digital. Es el punto de cruce deliberado para la corriente de alimentación, y un lineal con rechazo decente es un buen sitio para ese relevo.

El plano

Un plano de masa continuo en la capa 2, sin interrupciones, en toda la tarjeta.

Sin foso. Sin corte bajo el convertidor. Sin puente. La separación la da la colocación: las pistas digitales están todas en la mitad derecha, así que las corrientes de retorno digitales circulan por la mitad derecha, porque el retorno circula justo debajo de su pista. No hay nada que las lleve a la izquierda.

Éste es el enfoque de partición que defiende Henry Ott y al que llega también el material de aplicaciones de Texas Instruments. Funciona con exactamente una condición, que es la de la sección siguiente.

El ruteo, donde se tira el diseño a la basura

La partición se estropea ruteando, siempre. Tres reglas, y la tercera es la que se incumple:

• Las señales analógicas se quedan en la mitad analógica.
• Las digitales se quedan en la mitad digital.
• Ninguna señal digital ataja por la mitad analógica, nunca, ni una, ni

aunque sea lenta, ni aunque sean 5 mm porque el autorouter encontró un hueco estupendo.

Un solo reloj de SPI ruteado en diagonal por la sección analógica mete su corriente de retorno justo debajo del amplificador, que es exactamente la situación que todo el montaje pretendía evitar. No hay ninguna característica del cobre que te proteja de esto. Es una disciplina, y hay que comprobarla en lugar de confiar en ella.

La interfaz serie del convertidor es el único conjunto de señales que cruza de verdad la línea de partición, y cruza en el convertidor, que está sobre la línea. Esas pistas salen hacia la derecha, entran en la mitad digital y se quedan ahí.

Los dos pines de masa del convertidor

El convertidor tiene AGND y DGND. Siguiendo el razonamiento de la lección 4 y la guía de Analog Devices para un convertidor de este tamaño, los dos pines van al único plano de masa, en el propio integrado, con conexiones cortas.

El pin de alimentación digital del convertidor se desacopla contra su pin DGND con un condensador pequeño colocado tan cerca de los pines como permita la huella, de modo que la corriente de conmutación digital interna del convertidor circule por un lazo de un par de milímetros en vez de salir a la tarjeta. Ese lazo es el que importa para el rendimiento del propio convertidor, y su tamaño lo fija la colocación de ese condensador.

La alimentación analógica lleva su propio desacoplo contra AGND, igual de cerca. Cómo se comportan esos condensadores como conjunto es el asunto de la lección sobre la red de distribución de alimentación del curso de integridad de alimentación.

La referencia

La referencia de tensión del convertidor merece pensarse aparte, porque una conversión de 16 bits es una comparación contra ella. El ruido en la referencia es indistinguible del ruido en la señal.

El integrado de referencia va cerca del convertidor, dentro de la región analógica, con su propio desacoplo y una conexión corta y directa al pin de referencia. Su conexión de masa va al plano ahí mismo, junto a los pines de masa analógica del convertidor, para que referencia y convertidor compartan el mismo trozo de cobre y no dos extremos de un camino de corriente.

Por dónde va de verdad la corriente de retorno digital

Merece la pena seguirla explícitamente, porque es la afirmación sobre la que se sostiene el diseño.

El microcontrolador conmuta un pin. La corriente sale del pin, recorre la pista hacia el convertidor, y el retorno circula por el plano justo debajo de esa pista. La pista está en la mitad digital, así que el retorno está en la mitad digital. En el convertidor, que está en la frontera, la corriente da la vuelta. Lo más que penetra hacia el lado analógico es el ancho del encapsulado del convertidor.

La corriente de la interfaz USB circula entre el microcontrolador y el conector, los dos en el borde derecho. Nunca se acerca al amplificador.

El lazo del regulador conmutado está en la esquina más lejana, y su corriente de retorno no tiene ningún motivo para viajar a la izquierda porque su carga está a la derecha.

No hizo falta ninguna ranura en el cobre para nada de eso. Las corrientes están separadas porque lo están las cosas que las producen.

Qué haría que esta tarjeta necesitara un corte

Con honestidad, algo podría hacerlo. Si la sección digital creciera hasta un procesador que pide centenares de miliamperios en transitorios, o si el convertidor fuera de 24 bits buscando estabilidad por debajo del microvoltio, la situación cambia, y Analog Devices traza exactamente esa distinción para dispositivos digitales grandes con analógica integrada.

Llegado ese punto, lo correcto es leer la guía de layout del fabricante para ese dispositivo concreto y seguirla, con la colocación que la acompaña. No es inventarse un corte porque la tarjeta parezca complicada.

La revisión

Antes de liberar, cuatro preguntas:

• ¿Entra alguna pista digital en la mitad analógica? Compruébalo mirando,

capa a capa, no con el DRC.

• ¿Es continuo el plano de masa bajo todas las señales de la tarjeta?
• ¿Están los condensadores de desacoplo del convertidor a un par de

milímetros de los pines a los que sirven?

• ¿Tiene la corriente de retorno del regulador conmutado algún motivo para

viajar hacia la sección analógica?

Si las cuatro respuestas son buenas, las masas de esta tarjeta están resueltas, y no se cortó nada de cobre para conseguirlo.

Lo que viene después

La lección 9 sigue la corriente fuera de la tarjeta, hacia el conector y el cable, que es donde un camino de retorno cuidadosamente controlado suele dejar de estarlo.

Fuentes y lecturas recomendadas

• James Bryant, Analog Devices: masas en convertidores analógico-digitales — tratamiento de los pines de masa, desacoplo contra DGND y la excepción de los dispositivos grandes.
• Analog Devices MT-031: masas en convertidores de datos — el mismo razonamiento con figuras de layout.
• Texas Instruments Analog Applications Journal: masas en señal mixta (SLYT512) — plano único con partición y la disciplina de ruteo que exige.
• Resumen de Autodesk del método de partición de Henry Ott — particionar, rutear dentro de cada zona y colocar el convertidor en la frontera.