直流感知回流电流在混合信号PCB中
At a Glance
了解传感器、精密接口和精密参考的直流回路路径。
一个常见的高速PCB设计规则是：跟踪信号的返回电流路径。实际上，这比听起来要容易得多，因为快速数字信号或即使是中等频率的模拟信号的返回路径在很大程度上都被限制在走线下方。在非常低的频率或直流电下，返回路径技术上可以存在于任何地方，这导致了在音频设计、低频传感器接口设计和纯直流系统中可能看到的一些替代布线实践。接地平面仅在电磁干扰屏蔽方面提供好处，但它并不直接限制走线下方的返回路径。
有一些设备在低频或直流电下运行，这些设备也完成了一个电路，因此具有返回路径。所以，如果你需要使用这些设备之一，并且我们假设该设备的信噪比值较低，你如何确保返回路径环不会产生对噪声的敏感性？
在这里，我想展示一些你可以与这些类型的组件合作的方法，其中需要测量非常低频的信号或直流信号，但需要跟踪返回路径以确保电流环紧密。我们将在下面检查一些具体案例。
直流返回路径在哪里？
我和许多其他人展示了如下图所示的绘图，旨在展示走线沿线的交流返回路径与同一走线的直流返回路径之间的区别。不深入物理学，我只会说众所周知，交流返回路径是最小阻抗的路径，而直流返回路径是最小电阻的路径。
我在2019年创建了这个返回路径图，以概念性地说明直流电流在平面中的流动情况；在这篇文章中了解更多。
把这小部分信息说完后，现在让我们思考如何在特定情况下维持你想要的直流返回电流。应该清楚的是，直流返回路径可以在任何地方，包括输入走线下方（假设是单端接口）。这个事实，以及你的组件到导体接口，决定了直流返回路径如何被限制，以及你如何在低频下实现低噪声。为了看到这与各种模拟组件或传感器的工作方式，让我们看一些例子。
具有差分接口的传感器
差分接口不仅仅是为携带高速信号的差分对而设计。低频或模拟接口也可以是差分的。在这种情况下，低频或直流信号的读出方式相同：信号的电压被视为两导体之间的电位差。这些组件的例子包括：
- RTD 传感器
- 压力传感器
- 差分放大器的输出
- 位置传感器
在合成中一个类似的概念适用，其中设计使用 DAC 或可调直流源生成电压，然后通过具有差分输出的放大器/驱动器传递。在任一情况下，决定此直流互连上接收到的噪声的因素是相同的。
这可能是本文展示的三种情况中最简单的一种。原因非常简单：因为您正在布线一对差分对，在这种情况下，对应该在地面上布线。在直流情况下，这个差分对完全限制了返回电流到接口的负极部分。没有切换，因此在附近的接地平面中没有位移电流，所以我们不需要担心跟踪那部分返回电流。这里适用标准的差分对布线规则，除了长度调整外。
差分放大器和差分ADC接口。对于直流信号，每条轨迹为另一条轨迹提供互补的返回路径。此图像展示了德州仪器的THS770006，但其他差分组件也可以用于直流传感器接口。
具有共用地的两线传感器接口
我最近在一个精密运动控制项目上工作的一个例子涉及一对携带相位相反的正弦波形的线。模拟前端测量这两根线与参考振荡器信号之间的差异，并用于提取相位差，以非常精确地确定小型电机的位置。
在这种情况下，您没有真正的差分接口，因为您有两根带有共用地的独立线。共用地携带返回电流，而每根线携带部分信号。当信噪比值低时，带有返回电流的接地区域应该与所有其他接地区域隔离。一种做法是在传感器接口周围有小的接地不连续性。
这种两线接口提供了一种简单的方式来控制噪声，而不需要真正的差分对。
在某些情况下的另一个选择是，你有一组差分直流电线进入模拟前端。在下面的图片中，我展示了来自D型连接器的电机解析器的输入。左右差分对分别被检测，然后使用它们之间的差异来确定电机位置。因为返回路径存在于相应的电线中，所以不需要切割地面。
通过在地层中切割一部分铜皮，你正在控制直流返回电流可以存在的位置。这里的限制是你不能在任何其他层上的分割区域内布线。如果任何携带信号的走线经过切割区域，这将会导致辐射发射问题。一种简单的方法是定义一个在所有层上重叠的保持区，以便在你的两线接口周围的区域内不放置铜。
具有共用电源和地的接口
在这种类型的接口中，电源和地在你的PCB和外部设备之间共享。这里有两种情况：
- 外部设备为你的PCB提供电源和信号
- 你的PCB为外部设备提供电源，设备为你的PCB提供信号
第一种情况处理起来要容易得多，因为电源返回点直接连接到外部设备。在这种情况下，当信号和电源在你的连接器上共享时，管理最为简单，这迫使直流返回路径与直流/低频信号共位。低电平信号的返回电流被限制在电缆/连接器中，这使其远离可能引起串扰的任何其他信号。
第二种情况更为常见且更复杂；完整的电路循环将延伸到你的直流接口的电源调节器。因此，返回路径可能非常不可预测，这可能要求将供电放置得更靠近传感器接口。如果可以做到这一点，就有可能在设计中创建一个区域，其中只存在所需的直流/低频信号，并且该区域可以保持对抗噪声的韧性。
这些小型超声波传感器板从你的主PCB获取电源，并通过相同的接口传递信号。这可能为你的信号接收噪声创造机会。
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