Аналоговое и цифровое питание. Мифы и реальность
Иногда разводишь ты такой плату микроконтроллера или изучаешь документацию к чипу и натыкаешься на такую картину: два питания — аналоговое и цифровое. Две земли тоже не редкость. Я встречал людей, которые даже после пары лет работы в индустрии не всегда знали точно, зачем и когда нужно разделять питание и землю и как это корректно делать. Мы попробуем сегодня пробраться вниз по кроличьей норе. В том числе станут понятны практики подключения аудио оборудования проводами, которые покупаются за золотые слитки.
Дисклеймер
Данный материал предназначен для лиц, занимающихся электроникой и желающих для себя в доступной и простой форме ознакомиться с проблемой разделения питания, возвратных путей, и т.д. Для более глубокого понимания я отсылаю к профессиональным методическим материалам, которые могут дать куда более детальное понимание вопроса.
Можно так же глянуть сразу видео на эту тему, может будет понятнее!
Разделение компонентов.
Принципиально, компоненты часто делятся на цифровые и аналоговые. И тем и другим требуется питание, и иногда его принято разделять, применяя при этом задаточные техники, вроде такой, как на рисунке:
Рис. Слева направо: Питание и преобразователь питания, по центру кристалл или чип тактирования и два цифровых чипа, справа один аналоговый чип и входы/выходы для аналоговых коннекторов/антенн.
Давайте разберёмся в чем специфика. В качестве цифрового компонента представим, например, абстрактный микроконтроллер или процессор (с которым многие из вас знакомы). Каждый такт своей работы в нем переключают транзисторы, определенным образом, меняя состояния его выходов. Миллионы транзисторов образуют устройство, которое каждый такт выполняет операции, но между тактами замирает, потребляя лишь немного энергии. Основной объём энергопотребления происходит у цифровых компонентов в момент переключения. То есть если, допустим, микроконтроллер работает на частоте в 1Мгц, то каждые 100нс мы будем наблюдать, как огромное количество тока будет затекать в него. Если потребление тока микроконтроллера, например, 100 мА, то можно считать этот ток средним, а в моменте, на время переключения фронта потребление может доходить до ампер, оставаясь небольшим в остальное время. Почему так? Если вам правда любопытно, то вот схема, которая поможет это понять:
CMOS инвертор. A — вход. Q — выход. Vdd — питание. Vss — земля (минус питания)
На рисунке представлена самая обычная комплементарная КМОП пара или же инвертор. В точке VDD к ней подводится питание, а в точке VSS земля. Поведение этого простого элемента очень сильно помогает понять поведение чипа в целом, ибо цифровая электроника и состоит из подобных ступеней комплементарных транзисторов, соединяющих землю и питание, образующих логические элементы. Комплементарными они называются потому, что дополняют друг друга, позволяя соединять точку Q либо через верхний P канальный транзистор (М1) к питанию, либо через нижний N канальный (М2) к земле. Допустим, состояние на входе меняется с малого напряжения на большое. Транзисторы устроены так, что теперь верхний, «P» канальный ключ закрывается, а нижний «N» канальный открывается. При этом в данной системе протекают два тока. Первый ток — ток зарядки затворов, которые являются по сути конденсаторами, второй ток — ток зарядки выхода этого элемента через транзистор. Получается скачок потребления тока и мощности. Чем чаще переключаем, тем больше потребляем. Помимо этого, любая индукция между источником и ключами будет приводить к тому, что она будет сопротивляться току, тем самым приводя к падению напряжения на VDD у самого транзистора, и при больших значениях паразитной (то есть нежеланной) индукции, напряжение будет падать до тех пор, пока прибор просто не сможет корректно переключаться.
То есть работать и выполнять наши операции. Для предотвращения этого эффекта мы можем поставить между питанием и землей демпфирующий конденсатор. Он должен быть установлен после паразитной индукции. То есть как можно ближе к Пинам питания чипа. Как идеальный конденсатор, он будет препятствовать резкому изменению напряжения в точке VDD, запасая энергию, и компенсируя индуктивность.
Вот на рисунке добавился демпфирующий конденсатор, выступающий в роли временной батарейки, из которой наша схема может вытягивать энергию. Несмотря на индуктивность, Которая сопротивляется этому действию.
Вот, например; демпфирующие конденсаторы на плате видеокарты возле любых цифровых чипов.
Если вы разводили плату с микроконтроллером могли, то читать в разделе питания о том, какие именно конденсаторы можно ставить. По ним, есть очень классное видео. Оно во многом подробно адресует вышеупомянутые принципы. Будет неплохим дополнением.
Современный процессор может потреблять 200Вт при токах работы в 1В, тем самым цепи его питания должны генерировать токи так, чтобы напряжение оставалось примерно в рамках этого 1В. Причём нужно помнить, что из-за того, что я описал выше, следует факт, что 200А это средний ток, а пиковый будет в разы выше. Таким образом, скачки тока могут стать огромной проблемой вашего цифрового дизайна питания без должной обвязки конденсаторами.
Теперь отвлечемся от мира цифровой электроники и подумаем про аналоговую. Тут все совсем иначе. Как ни странно, в качестве аналогового компонента можно взять тот же инвертор:
Вход и выход инвертора как аналогового компонента.
Разница в том, что теперь нас интересует напряжение на выходе куда больше, а точнее нас интересует оно в каждой точке. Раньше нас интересовало только больше ли оно середины, или меньше, а теперь вход в 1V должен возвращать, допустим, ровно 2V, а если теперь разница между землей и питанием просядет или возрастет, то 1V превратится в 1.2V или 0.8V, потому что напряжение на выходе напрямую зависит от напряжения питания. И наш аналоговый инвертор будет искажать наш сигнал. Скажем так, переход от цифрового понятия похож на переход от контрастного восприятия картинки (либо черные, либо белые пиксели) , в градиентные цвета, где нам важен точный цвет пикселя, который может принимать почти бесконечное количество значений (в сравнении с двумя).
Если скажем, это усилитель аудио сигнала, и питание осциллирует, то и выходное напряжение такой системы будет осциллировать вместе с ним, что является очень нежелательным. Кроме того, если мы сравним потребление энергии такого компонента, то оно будет меняться вместе с напряжением на выходе, ибо любой аналоговый компонент изменяет напряжение на выходе, когда меняется ток через некий внутренний компонент (примерно, как напряжение на резисторе пропорционально току через него). Можно сказать, что потребление аналогового компонента тоже может меняться скачком, но изменение это по времени характерно частотам сигнала, с которым он работает. Это не значит, что он не потребляет энергию скачками, и иногда, демпферы тут тоже бывают нужны, но особенность в том, что скачки эти имеют другой характер и очень зависят от типа и частоты компонента. Однако точно справедливо, что от всплесков и скачков питания этот прибор будет работать хуже.
Что же по вашему произойдет, если просто поместить двух этих парней рядом на плате? Возможно, вы уже догадались. Цифровой компонент будет не по злой воле приводить к скачкам напряжения вблизи себя, в лучшем случае, и к инжекции резонансов в цепь питания на различных частотах, в худшем. Из-за чего аналоговый компонент начнёт страдать, выдавая неправильные значения. Таким образом, можно сделать один главный вывод: часто, цифровые компоненты или PWM (ШИМ) силовая электроника очень сильно загрязняют линию питания, при этом сами не являются чувствительными к нему.
На одном чипе
На картинке хорошо видно, что аналоговое питание подходит к аналоговым компонентам внутри чипа.
Откуда же на одном цифровом чипе пины аналогового и цифрового питания? В этом нет ничего удивительного, просто даже скажем, цифровой микроконтроллер содержит в себе много аналоговых компонентов: АЦП, ЦАП, PLL, таким образом, если говорить очень грубо, то внутри одного чипа существует бок о бок аналоговая подсистема, питающаяся иногда от аналогового питания, и цифровая подсистема, питающаяся от цифрового питания и загрязняющая его. Поэтому в некоторых чипах питания разделяют.
Решения
Как же решить эту дилемму. На самом деле мы уже располагаем главными инструментами для решения этой проблемы — конденсаторы, катушки, а зачастую просто наша голова и здравый смысл. Итак, вот простые правила:
Не размещать аналоговые компоненты и цифровые рядом. Думать о том, как питание будет заходить на плату и как уходить с неё.
Делать длину земли от всех чипов минимальной (уменьшает индукцию, а значит и колебания напряжения/тока), а при сложном дизайне всегда оставлять один цельный полигон на питание, а один или даже два на землю. Подробно опять же здесь.
Использовать ферритовые сердечники (о них далее).
Аккуратно обращаться с высокочастотными линиями, особенно если через них течет ток. Смотреть, чтобы под ними всегда был возвратный путь земли. Желательно на той же стороне платы (если имеется 4 слоя, то два из них находятся по одну сторону)
Размещение компонентов
Например, на этом дизайне с канала Phil«s lab хорошо видно, как разделены аналоговые (справа) и цифровые (слева) компоненты. Кроме того, и земля тоже может быть отделена. Причём нужно помнить, что как ток питания, так и ток земли может изменяться скачками, а значит, нужно смотреть, чтобы у каждого компонента был свой короткий путь либо к источнику, либо «питающему» его конденсатору. Можно подумать об этом как о проектировании автострады. Нужно помнить, что у каждого крупяного центра города должен быть свой источник автомобильного потока, и свой возвратный путь для автомобилей. Если у одного чипа образуется «пробка на съезде или выезде», это не должно быть бутылочным горлышком для другого. Проблема только в том, что на частотах выше 100КГц понятие короткого пути меняется. Подробнее тут. В общем, обычно просто делают целый слой под питание или землю.
Ферритовые сердечники
Ферритовые сердечники это пассивные компоненты, которые по сути своей являются катушками индуктивности. Последние, как мы выяснили, умеют препятствовать скачкам тока. Вот пример такого компонента. Как видно из его характеристики, он обладает значимым импедансом на частотах шума, более 10Мгц при токах меньше максимальных.
Размещая такой компонент между аналоговым и цифровым питанием, мы легко можем погасить часть скачков, которые могут возникнуть и тем самым обезопасить себя. Нужно только не превышать максимально допустимый ток. Так же при больших токах нагрузки данные катушки перестают иметь желаемый импеданс на больших частотах.
Пример разделения питания, для питания аналоговой части микроконтроллера STM32
Разделение питания на аналоговое и цифровое с помощью ферритового сердечника
Единственное, что нужно помнить, чаще всего грамотное расположение компонентов решает куда больше проблем, чем сердечники, или другие активные решения. Поэтому не думайте, что они просто как костыль решат все ваши проблемы. Но они и правда могут сильно помочь.
Примеры.
Типичное применение чипа PT2399. Аналоговая и цифровая земли разъединены
Вот например, картинка из документации цифро-аналогового чипа задержки для аудио. На нем можно собрать простую педаль с эффектом Delay для гитары. Только вот загвоздка: тут есть аналоговое и цифровое питание отдельно. Пин 3 это аналоговая земля, а пин 4 цифровая. И к удивлению многих, если соединить их вместе, оно просто не запустится. Сами Индусы просто добавляют между пином 3 и 4 резистор и этого хватает, однако вы для своего дизайна могли бы использовать любые вышеупомянутые принципы. Если соединить два питания только возле входа питания, а не у самого чипа, быть может, одно это бы уже решило бы проблему. Ну, может ещё лучше там же поставить входной конденсатор. Пишите в комментариях ваши реализации питания для такой схемы.
Ещё пару интересных видео и случаев:
Раз
Примерчик
Если ты это читаешь, то можешь и сам нам помочь!
Аналоговая электроника очень требовательная к навыкам, и я использую их, работая в компании, в которой мы разрабатываем крупнейший в европе сканер фотореконструкции людей, что требует немалых познаний именно в аналоговых сигналах, если интересно, вы можете заказать сканирование и создать идентичного 3D двойника, или стать частью нашей команды! Мы ищем специалистов по компьютерному зрению, инженеров, программистов и не только!
Выводы
Поговорили совсем немного про то, что разные элементы по-разному потребляют питание и по-разному нагружают линию питания, про то, что разным чипам нужно разное качество питания, и про то, как его грамотно обеспечивать. Были приведены ссылки на более методические источники от гуру индустрии. Примеры, где использование актуально. Надеюсь, это знание будет вам полезно, пишите пожелания, хотелось ли бы вам более подробное, или более поверхностное и «Делай так» описание. Спасибо и удачных вам дизайнов!
