¿Hay que separar la masa analógica y la masa digital?

La hoja de características de un convertidor enseña dos pines de masa, AGND y DGND. Un ingeniero razonable lee esos nombres, mira una tarjeta que tiene circuitería analógica en un lado y un microcontrolador en el otro, y concluye que la tarjeta debería llevar dos planos de masa unidos en algún punto sensato.

Esa conclusión es equivocada con suficiente frecuencia, y con suficiente coste, como para desmontarla con calma. Los nombres de los pines no son instrucciones sobre tu PCB.

Respuesta rápida. Normalmente no. AGND y DGND son las dos masas internas del convertidor, sacadas por separado porque las patillas del encapsulado no pueden llevar corriente digital sin perturbar la parte analógica. Describen lo que pasa dentro del chip, no cómo dividir tu tarjeta. Para la mayoría de los convertidores la propia guía del fabricante es unir los dos pines y llevarlos a una masa continua, y después controlar por dónde circula la corriente digital mediante la colocación, no cortando cobre.

Qué son de verdad esos dos pines

Dentro de un convertidor hay circuitería analógica y digital en un mismo dado. Las dos necesitan referencia de masa. Lo ideal sería que compartieran una, pero los hilos de unión y las patillas tienen suficiente inductancia como para que la corriente de conmutación digital, al circular por una patilla compartida, desarrolle una tensión en ella, y esa tensión aparece directamente como error en la parte analógica.

Por eso el fabricante saca dos pines. La corriente de masa digital tiene su propio camino hacia fuera y la referencia analógica se queda limpia.

Analog Devices lo dice sin rodeos en su material sobre masas en convertidores: llamar DGND a ese pin es un error de categoría esperando a ocurrir. El pin se llama así por la corriente que circula por él dentro del integrado, no por la masa del sistema a la que hay que conectarlo. Su recomendación es que los dos pines van normalmente al mismo sitio, y ese sitio es la masa analógica.

Que es justo lo contrario de lo que sugieren los nombres. De ahí que esto siga pillando a gente.

Por qué partir el plano suele salir mal

Supón que te tomas los nombres al pie de la letra y cortas el plano en una región analógica y otra digital, unidas por un punto cerca del convertidor.

Todo lo que cruza esa frontera tiene ahora un problema. Una pista digital que va del convertidor al microcontrolador discurre sobre el lado digital, cruza el foso y sigue sobre el lado analógico. Su corriente de retorno no puede seguirla por el hueco, así que recorre el borde del corte hasta el punto de unión, cruza allí y vuelve.

El lazo que acabas de crear no es algo más grande. Es tan grande como largo sea el foso, y de camino rodea la sección analógica.

Henry Ott, cuyo trabajo sobre layout de señal mixta es una de las referencias estándar, trata la costumbre de partir el plano como uno de los malentendidos más dañinos del campo, y recomienda en su lugar particionar: un plano continuo, con la tarjeta dividida en zona analógica y zona digital por dónde colocas las cosas y por dónde ruteas, no por dónde cortas el cobre. Texas Instruments llega a la misma conclusión en su material de aplicaciones, y añade la advertencia honesta: particionar sólo funciona si después tienes la disciplina de no rutear señales digitales por la zona analógica.

Particionar, en concreto

Particionar es una disciplina de colocación. No cuesta nada en cobre y todo en planificación, por eso tiene que ocurrir al colocar y no después de rutear.

• Decide una línea que cruce la tarjeta. Analógico a un lado, digital al otro.
• Coloca el convertidor sobre esa línea, con sus pines analógicos mirando al

lado analógico y los digitales al lado digital.

• Mantén el plano continuo por debajo, en toda la tarjeta.
• Rutea las señales analógicas sólo sobre la región analógica y las digitales

sólo sobre la digital.

• Deja la alimentación digital y el lazo de retorno de su desacoplo

enteramente en el lado digital.

Las corrientes de retorno se separan solas. La corriente digital vuelve bajo las pistas digitales, que están todas en el lado digital, así que nunca entra en la región analógica. Consigues la separación que el corte pretendía dar, sin la discontinuidad de referencia que el corte crea.

La orientación del convertidor es la parte que se salta todo el mundo. Un convertidor colocado sobre la línea de partición pero girado de forma que su bus digital mire a la sección analógica garantiza corriente digital por la región analógica por mucho cuidado que pongas al rutear.

Dónde discrepan de verdad las fuentes

Sería cómodo terminar ahí. La posición honesta es que dos tradiciones respetables dan respuestas distintas, y saber cuál estás leyendo importa.

La posición de la partición, asociada a Ott y respaldada por el material de aplicaciones de TI, es: un plano, divide por colocación, no cortes nunca.

La posición centrada en el convertidor, que aparece en muchas hojas de características y en algunas notas de aplicación, es: planos analógico y digital separados, unidos bajo el encapsulado del convertidor, con el convertidor haciendo de puente.

No están tan lejos como parece. Las dos coinciden en que la corriente de retorno digital tiene que quedarse fuera de la referencia analógica. Las dos unen los dos pines del convertidor. Discrepan en si esa separación se impone con un hueco en el cobre o con disciplina de colocación y ruteo.

Dos cosas deciden cuál te toca:

Cuánta corriente digital consume el integrado. Analog Devices distingue entre convertidores corrientes y dispositivos grandes, como procesadores con códec integrado, que mueven centenares de miliamperios de transitorio por su masa digital. Para ésos sí recomiendan llevar el pin de masa digital a la masa digital del sistema, porque el integrado está diseñado por dentro para ese caso. Para un convertidor que consume unas pocas decenas de miliamperios recomiendan el esquema estándar.

Qué dice la guía de layout del fabricante para esa pieza. Una hoja de características y el layout de su tarjeta de evaluación son afirmaciones sobre un dado, un encapsulado y una arquitectura interna concretos. Cuando la guía del fabricante para tu pieza es específica, síguela, y síguela entera en lugar de quedarte con el corte del plano y dejarte la colocación que lo acompañaba. Lo que Analog Devices desaconseja es la frase genérica «conecta AGND a la masa analógica y DGND a la digital» cuando aparece sin ningún razonamiento específico del dispositivo detrás.

Si la hoja pide algo y tú tienes motivos para desviarte, la carga de la prueba es tuya, y la forma de levantarla es seguir las corrientes de retorno, no discutir desde los principios.

Qué hacer cuando hay que decidir

Un orden práctico, para una tarjeta con uno o dos convertidores y un microcontrolador:

1. Parte de un plano de masa continuo. Es el valor por defecto y acierta más

que cualquier otro.

1. Particiona por colocación. Analógico en una zona, digital en otra,

convertidor en la frontera y bien orientado.

1. Lee en serio la sección de layout del convertidor, incluida la tarjeta de

evaluación. Haz lo que diga para esa pieza.

1. Si acabas con un corte porque el fabricante lo pidió, asegúrate de que no

lo cruza ninguna señal en ningún sitio, y de que la unión está donde ellos dijeron.

1. Comprueba el trabajo siguiendo la corriente de retorno digital y

confirmando que nunca tiene motivo para entrar en la región analógica.

El paso 5 es el que valida el diseño de verdad. Los pasos 1 a 4 son cómo llegas a algo que merezca la pena comprobar.

Lo que no ayuda

• Partir el plano y después rutear el bus SPI sobre el corte.
• Un ferrita o un cero ohmios haciendo de puente entre dos regiones de masa

que llevan corriente de retorno de alta frecuencia. Es una inductancia puesta a propósito en un camino de retorno.

• Planos separados para analógico y digital en una tarjeta de dos capas, donde

no había referencia continua suficiente ni para empezar.

• Copiar el corte del plano de un diseño de referencia sin copiar también la

colocación, el stackup y la pieza.

Lo que viene después

La lección 5 se ocupa de la otra topología de masas que se aplica fuera de su rango: la masa en estrella, dónde resuelve de verdad el problema para el que se inventó y qué le hace a una tarjeta digital rápida.

Fuentes y lecturas recomendadas

• James Bryant, Analog Devices: masas en convertidores analógico-digitales — por qué existen AGND y DGND, por qué los nombres engañan, el esquema estándar y la excepción de los dispositivos grandes.
• Analog Devices MT-031: masas en convertidores de datos y el misterio de AGND y DGND — el mismo material en forma de tutorial, con figuras de layout.
• Texas Instruments Analog Applications Journal: masas y partición en señal mixta (SLYT512) — plano único con partición y la disciplina de ruteo que exige.
• Resumen de Autodesk de la guía de partición de Henry Ott — el método de partición y por qué cortar agranda los lazos de retorno.