Mixed-signal board Fragen

[Benny (Gast)]

Hallo,
ich arbeite zur Zeit an einer für meine Verhältnisse sehr komplexen 
Schaltung. Auf der Analogseite befindet sich eine Photodiode, ein 
Transimpendanzverstärker sowie ein PGA. Der Verstärkungsfaktor liegt in 
der Größenordnung 10^9 . Auf der Digitalseite ist ein ADC (ca. 500SPS) 
sowie ein Mikrocontroller zum auslesen des ADC und verschicken der Daten 
über RS485.
Aus Erfahrung mit Testschaltungen der Analogseite weiß ich, dass 
kleinste Störungen durch unzureichende Abschirmung, Ground-loops usw. 
extreme Fehler verursachen.

Der Plan ist eine 4-lagige Platine zu entwerfen. Die beiden 
Masseflächen, DGND und AGND, werden unterhalb des ADC verbunden. Die 
Platine wird 12V Eingangspannung versorgt. Die Analogseite benötigt 9V 
und -9V. Die 9V möchte ich mit einem LM317 Spannungsregler erzeugen. Die 
negative Spannung mit einem ICL7660 und einem nachgeschaltetem LM337. Wo 
platziere ich die Spannungsregler auf der Platine? Nahe dem "großen" 
Eingangskondensator oder auf der Analogseite? Am meißten Sorge macht mir 
die ICL7660 Ladungspumpe. Unter allen Umständen muss "Dreck" auf AGND 
vermieden werden.

Grüße
Benny

[Nachtaktiver (Gast)]

Das wichtigste bei einen solchen Design ist die Logische Zerlegung der 
einzelnen Funktionseinheiten und einer passenden Anordnung. Erst danach 
kann man sich ein passendes Konzept ausdenken. Physikalisch betrachtet 
würde ich nur eine Massefläche verwenden und nur räumlich mit 
AGND/DGND/PGDN trennen.

Ich habe mal eine Kindergartenzeichnung im Anhang beigefügt. :>


Der Rest ist ein sinnvolles Konzept und Leitungsgebunde Störungen und 
Störer voneinander zu entkoppeln. Den LM337 z.B würde ich weglassen und 
die Ausgangsspannung mit einen sinnvoll dimensionierten LC-Filter 
entkoppeln.

[Benny (Gast)]

Vielen Dank für die tolle Antwort! :)

Im Anhang befindet sich das neue räumliche Konzept.

Vom Verstärker fliesst dann ein Strom durch den ADC über DGND zur 
Spannungsquelle. Ist das ein Problem? Oder solltee jetzt ein ADC 
verwendet werden der AGND und DGND isoliert?

Sehe gerade im Datenblatt des LM337, dass dessen ripple rejection 
deutlich schlechter ist, wie die seines positiven Bruders.

[Nachtaktiver (Gast)]

Natürlich fließt dann ein Strom über die Masse zu den einzelnen 
Versorgungsblöcken zurück. Aber der Trick an dieser räumlich Trennung 
ist es das man vermeidet das der Versorgungsstrom des Mikrocontrollers 
an deinen Transimpendanzverstärker vorbeifließt und dort Störungen 
verursacht.

Aufgrund deines Lagenaufbaus kannst du sogar eine vollständige 
Massefläche* vorsehen welche damit hervoragende Eigenschaften besitzt. 
Weil wenn jetzt doch mal ein Strom irgendwo fließt, ist die Störung 
gering da RxI=U ist. Intern ist der ADC sowieso verbunden, im 
Zweifelsfall kann auch über den ADC ein Strom fließen.

Mach dir mal keine sorgen um die PSSR des LM337 da diese Werte im 
Zweifelfall nicht erreicht werden und stark durch das Layout bestimmt 
werden!

*Nicht das wir uns falsch darstellen: Betrachtet gibt es nur eine 
Massefläche, welche aber Abhängig vom Ort Logisch einer Funktion 
zugeordnet ist. Ansonsten verliert man den Überblick.

[Benny (Gast)]

Im Anhang habe ich nochmal gezeichnet wie ich mir die Massefläche 
vorstelle und wie die Ströme fließen. Der Schlitz in der Mitte macht es 
Strömen von der Digitalseite schwerer den Analogteil zu stören.

Nachtaktiver schrieb:
> Aufgrund deines Lagenaufbaus kannst du sogar eine vollständige
> Massefläche* vorsehen welche damit hervoragende Eigenschaften besitzt.

Was wäre der Vorteil einer komplett durchgehenden Massefläche?

[Nachtaktiver (Gast)]

Genau das tut die Aussparung eben nicht.

Durch die Aufteilung hast du gesorgt das der Versorgungsstrom von z.B. 
Digitalen Bauteilen nicht durch deine Analogen Teil fließt was einen 
Haupteil der Störungen sorgt. Da aber alles galvanisch miteinander 
getrennt ist und du mit den Mikrocontroller über IO-Pins etwas im 
Analogen Teil steuerst fließen trotzdem kleinere Ströme dort hin.

Bild 1:
Rot: Stromfluss mit Aussparung
Violett: Stromfluss ohne Aussparung

Mit der Aussparung zwingst du den Strom in einer größeren Schleife zu 
fließen als nötig, an den Randstellen der Rechteckigen Aussparung wird 
die Stromdichte höher sein als woanders, wodurch sich die einzelnen 
Teilströme sogar überlagern. Die eigentlich Niederimpendante Massefläche 
bekommt sogar zusätzliche Ohmsche und Induktive Anteile.


Bild 2:
Blau: Der Digitale Versorgungsstrom würde niemals durch den Analogenteil 
fließen, da du räumlich getrennt hast. Mit einer Aussparung erkauft man 
sich Nachteile welche auf dem ersten Blick nicht ersichtlich sind.