Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов

Добрый день!

Проектирую устройство для детектирование слабого сигнала от фотодиода. Фотодиод будет работать в фотогальваническом режиме, а ток от него интегрироваться с помощью IVC102. И встает вопрос защиты от помех. Точнее 2 вопроса:

1) на плате есть +/- 5 вольт и аналоговая земля, а также цифровая земля и +5 вольт. Для защиты от помех имеет смысл окружить схему экраном. К какой земле цеплять экран? К аналоговой, к цифровой, или отдельно от входа провести землю для экрана?

2) фотодиод находится на подвижной платформе. И от платы до фотодиода сантиметров 7 может быть. Меня интересует только постоянная компонента сигнала от ФД. Для снижения наведенных помех имеет смысл либо экранированую витую пару либо коаксиальный кабель. При этом согласно схеме, один конец фотодиода подключен к аналоговой земле, а другой ко входу IVC102. Если экранированая витая пара, то экран к какой земле подключать? Если коаксиальный кабель, то не словит ли он сам помех на землю?

Какой вариант лучше для минимизации помех?

Схему соответствующего куска платы прилагаю

Вложения

scheme.png: (11.8 KiB) Скачиваний: 158

1. Залить сплошным полигоном, если есть возможность.

2. Витая пара больше для дифференциальных линий подходит. Но если она в экране, то подойдет.
Экран кабеля, если у него внутри две жилы (земля и сигнал), соединяется только с одной стороны - со стороны приемника сигнала.
Думаю, пара в экране будет наилучшим вариантом.

1) Сплошной полигон - тот же вопрос, на какую землю надо полигон ставить. Но помимо полигона в таких девайсах еще экран напаивают на плату

2) опять же, к какой именно земле подключать экран

Если вся земля - это сплошной полигон, то требований разбивать землю на две части не нужно.
Главное компоненты и их питания разбить на группы. Типа, в одном участке сосредоточена вся аналоговая часть, а в другом цифровая.
Тогда и не нужно думать о том, куда паять экран. К полигону и все.
Экран кабеля паяется к сигнальной земле, прямо на входе.

vladphys писал(а):

К какой земле цеплять экран? К аналоговой, к цифровой, или отдельно от входа провести землю для экрана?

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ivc10 ... e.com%252F
стр.8

Еще в даташите на ivc102 рекомендуют разводить землю способом, как на рисунке. Т.е. явно разделяют цифровую и аналоговую землю

Добавлено after 52 seconds:
Re: Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов
Да, я читал даташит, но там рассказано про трассировку. А про экран я так и не понял пока что

Вложения

Screenshot at 2021-11-26 17-15-21.png: (33.02 KiB) Скачиваний: 111

Вообще, при разводке нужно думать о том, чтобы через аналоговую землю нигде не протекали токи цифровой части.
Если хочется разделить, то земли обычно соединяют у источника питания. Обычно у его конденсатора. Экранируют аналоговую часть, соответственно, все экраны соединяются с аналоговой землей.
Статья на "Резоните", раздел Заземление

Последний раз редактировалось DX168B Пт ноя 26, 2021 17:45:08, всего редактировалось 1 раз.

DX168B писал(а):

чтобы через аналоговую землю нигде не протекали токи цифровой части

Это то само собой. Я наводок боюсь. Причем не только наводок от других частей схемы, но и от внешних источников

Добавлено after 8 minutes 56 seconds:
Re: Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов
Что касаемо питания - у меня на плату отдельно подается питание цифровой и аналоговой части и земли цифровой и аналоговой соединяются в 1 точке

Добавлено after 1 minute 45 seconds:
Re: Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов
Я думаю землю для экрана тоже отвести от аналоговой земли в 1 точке, чтобы через экран и полигоны земли не текли токи от работающих частей схемы

От внешних источников защищают внешние экраны. На счет земляного периметра платы: Землю по периметру нужно соединять туда же, где объединяются аналоговая и цифровая земли. Но ее нельзя использовать для других целей, иначе это будет уже "земляная петля". Только как экран и только одна точка соединения с общей землей схемы. Думаю, экран двухжильного кабеля можно припаять к периметру, в точке входа кабеля в экранируемую зону. Земляную жилу кабеля - к аналоговой земле. Можно даже дорожку от ноги AGND микросхемы кинуть до места пайки земляной жилы (не экрана)

Тут еще надо подумать как питание аналоговой части устроить. Самый простой вариант, гарантированно не дающий иголок и прочих колебаний - банально от 2-х батареек. Но это немного геморно (батарейки должны быть в тепле, а девайс планируется использовать в том числе в мороз).

Есть идея использовать преобразователь 5 В -> +/- 6 В по схеме двухтактного преобразователя, но с синусом вместо меандра для предотвращения иголок и стабилизация на 7805 / 7905

Добавлено after 5 hours 27 minutes 34 seconds:
Re: Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов
хотя наверно это все же излишнее усложнение

Я резал иголки LC фильтром.
То есть, фильтр ставим на входе в аналоговую зону платы. После фильтра уже не следует тянуть слишком длинные дорожки питания и следует их держать подальше от цифровых цепей, так как они снова поймают помехи и питание загадится, хоть и не так сильно.

а еще из за фемтоампер утечек по входным цепям на опамп - тоже будет весело. Дабы это все не продуплить я бы входную часть вместе с опером делал навесу используя фторопласт ножки для поддержки всех цепей .

цифровую и аналоговую часть можно подностью разделить по питанию через ADUM конвертеры , т.е. общей земли не будет , соотв отдельное питание от разных трансов ( ну или разной обмотки если есть правильный транс.

а еще интересно чо за ADC т.к. питалово опампа +15 а почти все АДС в основном +5 и что там с согласованием уровней ....

И вооще давай схему поэырим , посмакуем ...

1. В промышленных приборах хим-анализа, на сигнале от фотодиода, используется механический прерыватель светового потока - крыльчатка на синхронном движке. Дальше - усилитель переменки и синхронный детектор.
2. В советских хим. анализаторах - выход сигнала (типа рН-метра) нагружался на делитель напряжения из двух фоторезисторов. На них светили в противофазе два светодиода. Естественно коэффициент деления менялся 0-1. Полученный меандр усиливался и синхронно детектировался. Вероятно фотодиод точно так же можно использовать в роли источника сигнала.
3. Усиливать постоянное напряжение - дело муторное. Проще модулировать в переменку. Никаких проблем со смещениями уровней, термостабильностью и тд и тп.

Ну чо нормально ... технологии 70-х. Чопперов не было. Сщас смешно

0xFF писал(а):

а еще интересно чо за ADC т.к. питалово опампа +15 а почти все АДС в основном +5 и что там с согласованием уровней ....

Ну я ограничиваю выходной сигнал с помощью цепочки резистор-стабилитрон. Питание +/- 15 (на крайний случай +/- 12) выбрано потому, что в даташите на IVC102 написано, что ей требуется от -10 до -15 вольт отрицательного питания и от +4.5 до +15 положительного.

Добавлено after 4 minutes 19 seconds:
Re: Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов
Схема такая:

Добавлено after 1 hour 13 minutes 55 seconds:
Re: Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов
На схеме - GND - цифровая земля, GNDA - аналоговая земля, GNDS - полигон экранирования аналоговой части, к нему же будет крепиться экран закрывающий аналоговую часть сверху.

Вложения

sensor.phd.pdf: (57.45 KiB) Скачиваний: 74

пардон этто что за питание ... там дай бох 40ДБ подавление будет

а что не так с питанием?

switching ... 317 подавление 30-40дб на 10К и выше. 071 тож гдета 40-50 . получишь инжекцию шума. 2.0 - зачем питание +-15 если сигнал +-2В ? . этож не аудио
071 - старый хлам, надо чоппер mux friendly ; зенер и резистор - паразитный делитель. выкин 071 . добав низкошумный чоппер +- 2.5В питалово можно фантомное
фотодиод это источник тока - как оно у тебя запитано тож неизвестно. желательно иметь цифры \ параметры входного сигнала (из фотодиода тесть ) и схему питания ...
наводки по щлейфу - напрямую от импеданса, либо повторитель на диод либо входной усил. - если позволяет место
MCP3421 включен по дифф схеме - ожидаем выходное негативное напряжение с фотодиода ?
шунт. конд. по питалово лучше RC
для начала пока ок...

0xFF писал(а):

зачем питание +-15 если сигнал +-2В ?

Требуется для IVC102U. Отрицательное должно быть в диапазоне от -18 до -10, положительное от +4.75 до +18

Добавлено after 4 minutes 45 seconds:

0xFF писал(а):

MCP3421 включен по дифф схеме - ожидаем выходное негативное напряжение с фотодиода ?

Нет, у него один вывод на сигнал, другой на аналоговую землю идет

Добавлено after 31 minute 46 seconds:

0xFF писал(а):

071 - старый хлам

В целом то да... OP37, OPA134 получше будут?

Добавлено after 20 minutes 43 seconds:

0xFF писал(а):

желательно иметь цифры \ параметры входного сигнала (из фотодиода тесть )

Ожидается поток до 53 нЛм (но это прямо самый максимум) и ток фотодиода 0.27 нА

Добавлено after 10 minutes 41 second:

0xFF писал(а):

фотодиод это источник тока - как оно у тебя запитано тож неизвестно

фотодиод работает в фотогальваническом режиме

Добавлено after 1 hour 20 minutes 42 seconds:
Re: Разводка печатной платы для детектирования слабых сигналов
На тему чоппера - с использованеим IVC102 он становится излишним, можно сперва измерить напряжение на выходе при нулевом входе на усилитель, а потом при накопленном заряде, и вычесть одно из другого. И это все равно придется делать, независимо от чоппер/не чоппер, чтобы убрать и прочие постоянные помехи

0.27 нА? серьезно ? тут надо понимать что закон ома распространяется на все те 0.27 на 10М резисторе это 27mV, А это будет сааавсем непростой резистор. соответсвенно токи утечек итд ..... В общем я пардон пас ... тут надо смотреть на низкошумные по току типа LMV751 , LMC662 и добавлять серво с коммутацией ... тут надо понимать что трансимпедансные оперы это 1-10nA - начало а не конец шкалы ... Пока ... удачи ...