Czy naprawdę powinienem podzielić płaszczyznę uziemienia na części analogowe i cyfrowe?

Mam zamiar zaprojektować moją pierwszą płytkę drukowaną w ramach mojego projektu dyplomowego. Oczywiście jako pierwszy krok staram się nauczyć jak najwięcej. W części badań znalazłem ten 3-częściowy artykuł , który sugeruje, że nie jest konieczne, a w niektórych przypadkach nawet szkodliwe jest podzielenie płaszczyzny uziemienia na część analogową i cyfrową, co jest sprzeczne z tym, czego nauczyłem się od prof. Przeczytałem również wszystkie wątki na tej stronie, które dotyczą samolotów / wylewów. Chociaż większość zgadza się z tym artykułem, wciąż istnieją opinie, które opowiadają się za podzieleniem płaszczyzny podłoża. na przykład

https://electronics.stackexchange.com/a/18255/123162 https://electronics.stackexchange.com/a/103694/123162

Jako nowicjusz w projektowaniu PCB uważam, że mylące i trudne jest określenie, kto ma rację i jakie podejście wybrać. Czy powinienem podzielić płaszczyznę uziemienia na części analogowe i cyfrowe? Mam na myśli podział fizyczny, albo z cięciem na płytce drukowanej, albo posiadający osobne wielokąty dla DGND i AGND (albo nie połączone, albo połączone w jednym punkcie)

Być może, aby umożliwić ci sformułowanie rekomendacji dostosowanej do mojej potencjalnej płytki drukowanej, powiem ci o tym.

Płytka drukowana zostanie zaprojektowana w bezpłatnej wersji Eagle => 2 warstwy

Płytka drukowana służy do testowania i precyzyjnego pomiaru (prądu i napięcia) baterii litowych. Płytka ma być kontrolowana z Raspberry Pi przez interfejs cyfrowy (GPIO / SPI (40 kHz)). Na pokładzie będą 3 konwertery danych (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) oraz złącza dla wbudowanego modułu RTC po stronie cyfrowej. Zasilanie analogowe pochodzi z zewnętrznego regulowanego zasilacza nad pokładowym regulatorem napięcia LT3042 (5,49 V). Dodatkowo istnieje napięcie odniesienia 5 V LT6655B. Część analogowa jest zasadniczo obwodem prądu stałego, jedynym tak naprawdę wysokiej częstotliwości jest wewnętrzny zegar główny 16 MHz ADC.

Cyfrowe 3,3 V (głównie do zasilania interfejsów cyfrowych) będzie pochodzić z Raspberry PI. Tak więc będą 2 połączenia uziemienia: zewnętrzny zasilacz i interfejs cyfrowy Raspberry Pi.

W związku z tym kolejne pytanie: odnosząc się do ryc. 3 , w jaki sposób upewnić się, że prądy powrotne z interfejsów cyfrowych przepływają do właściwego połączenia uziemiającego (pamiętaj, że mam 2 z nich)?

Dodatkowe obawy: czy obwód dystrybucji zasilania może zakłócać czułe pomiary? Rozdzielałem je, kierując moc na dolną warstwę, ale nie jest to już dobry pomysł w przypadku monolitycznej płaszczyzny uziemienia

I chociaż wciąż pytam: zakładając mniej więcej monolityczną płaszczyznę uziemienia na dole i warstwę sygnału / komponentu na górze, jaki jest najlepszy sposób połączenia ujemnej strony kondensatorów obejściowych z płaszczyzną uziemienia?

Musisz myśleć w kategoriach wspólnej impedancji (nie oporu, naprawdę impedancji).

Rozważ części obwodu, które wykorzystują GND jako wartość odniesienia 0 V do wrażliwych celów analogowych. Oczywiście chcesz, aby każde z tych „odniesień 0 V” miało ten sam potencjał „0 V”. Jednak prąd przepływający przez płaszczyznę GND wprowadzi dodatkowe napięcie błędu na szczycie „0V” każdego układu.

Teraz narysuj schemat swojego GND, z przepływającymi przez niego prądami.

Jeśli nie podzielisz płaszczyzny, ale przepłyną przez nią wysokie prądy, ponieważ umieścisz złącze wejściowe mocy po lewej stronie, złącze wyjściowe mocy po prawej stronie i superczułe bity analogowe na środku, wtedy może mieć problem z powodu wysokiego prądu płynącego w GND i tworzenia gradientu napięcia.

W zależności od częstotliwości rozważ impedancję (tj. Indukcyjność, a nie tylko rezystancję).

Obecnie istnieje kilka rozwiązań tego problemu.

• Można umieścić złącza zasilania w bardziej rozsądnych miejscach (tj. Pobór mocy obok mocy wyjściowej), aby wysokie prądy nie przemieszczały się w płaszczyźnie GND. Dotyczy to wszystkich pętli prądowych, które przenoszą duże, hałaśliwe lub wysokie prądy di / dt, takich jak pętle wewnętrzne DCDC, lub pętle między nim a jego obciążeniem (powiedzmy procesor), a nawet ścieżka uziemienia między czapką odsprzęgającą i układ, który oddziela.

Upewnij się, że wiesz, gdzie są te pętle! Uporządkuj je według problemów (mniej więcej „obszar * di / dt” dla prądu przemiennego lub „obszar * I” dla prądu stałego). Umieszczenie jest niezbędne. Dobre umiejscowienie z ciasnymi pętlami prądowymi sprawia, że ​​układ jest znacznie mniejszy.

• Można użyć wzmacniaczy różnicowych i przetworników ADC, które ignorują szum w trybie wspólnym.

Jest to obowiązkowe, jeśli wyczuwalne napięcie znajduje się na boczniku prądowym od strony wysokiego. Załóżmy teraz, że używasz na przykład wzmacniacza prądu sensownego. Nie zapomnij, jakie napięcie jest na jego wyjściu „odniesienia odniesienia” (często błędnie oznaczone „GND”) jest bezpośrednio dodawane do wyjścia ... więc nie przyklej wzmacniacza sensownego między dwoma tranzystorami MOSFET z pinem „GND” na środku „silnika bieżąca ścieżka powrotna ...

• Możesz także podzielić samolot, ale musisz zdecydować, gdzie go podzielić. I (tam, gdzie robi się nieprzyjemnie), kiedy łączysz swoje dwie masy razem w DC (lub przy wysokich częstotliwościach, jeśli używasz izolatorów ...

Nazwijmy twoje dwie podstawy AGND i PGND (analogowe i mocy). Niektórzy mówią, że podzielą się i dołączą do AGND / PGND lub AGND / DGND na mocy ADC. Oznacza to, że każdy prąd, który płynie między AGND a PGND, musi płynąć w łączu uziemiającym pod ADC, co jest najgorszym możliwym miejscem.

Rozwiązaniem, które ma sens, jest „ukryty podział”. Umieszczenie jest niezbędne. Na przykład umieścisz power / hałaśliwe rzeczy po prawej stronie, a wrażliwe rzeczy po lewej. Umieszczasz czapki odsprzęgające, aby pętle prądowe zasilające przebiegające przez GND były krótkie i dobrze ustawione. Następnie, ponieważ Twoja tablica ma dwie dobrze zdefiniowane strefy, możesz zawęzić szerokość łączącej je płaszczyzny uziemienia, aby mieć pewność, że wysokie prądy nie będą płynąć w ziemi wrażliwych bitów.

Jest to bardzo wizualne i trudne do wyjaśnienia, a prawidłowe umieszczenie złączy jest niezbędne.

Te samouczki są dobre: https://learnemc.com/emc-tutorials

Samo wprowadzenie SLITS do płaszczyzny GND może wystarczyć, aby w dużej mierze zabezpieczyć śmieci cyfrowe / zasilające / przekaźnikowe / silnikowe przed delikatnymi obszarami analogowymi. [EDYCJA 9 czerwca. Pokazano, że wąski region osiągnie tłumienie 12dB / kwadrat. EDYCJA Czerwiec 2019 Pamiętaj również o przecięciu Power Plane (sugerowane przez barleyman)]

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Co możemy przewidzieć na temat umieszczenia szczeliny w stosunku do prądu wejściowego i wyjściowego?

^{zasymuluj ten obwód}

Czego się spodziewać, gdy szczelina wpada w prądy?

^{zasymuluj ten obwód}

Mieliśmy około 40 mikrowoltów / kwadrat wzdłuż dolnej krawędzi płytki drukowanej, przyjmując 0,0005 Ohm / kwadrat. Możemy oszacować spadek napięcia I * R spowodowany przez JEDEN AMPERE w prawym górnym rogu PCB, wzdłuż dolnej krawędzi PCB w obszarze analogowym, po prostu

Slit_Atten = długość szczeliny / całej długości pętli w obszarze wrażliwym

Spadek napięcia na samym dole (na kwadrat) wynosi

Napięcie w poprzek szczeliny * Slit_Atten

Matematyka: szczelina ma 4 kwadraty, a zatem 4 * 40uV = 160uV.

Szczelina często wynosi 4 kwadraty / 20 kwadratów (całe obrzeże pętli) = 20%.

Spadek per_square I * R wynosi 160uV * 20% = 32 uV.

Pokazuje to wartość używania tylko regionów WĄSKICH między cyfrowym / szumem i analogowym.

Oto inny sposób na rozcięcie.

^{zasymuluj ten obwód}

Napięcie na kwadrat, gdzie OpAmps potrzebuje cichego GND = 32 uV, na kwadrat. Niezbyt cicho. Co robić?

1) wyciąć szczelinę dalej w płaszczyźnie; teraz na poziomie 80%, przejdź do 95% i prawdopodobnie osiągniesz wykładniczą poprawę ciszy; uruchom SPICE SIM i zobacz, jak to zrobić

2) zrobić szczelinę ----- nie wąską ---- ale głęboką, w ten sposób

^{zasymuluj ten obwód}

Co możemy przewidzieć na temat zastosowania szczelin „L”? Okazuje się, że możemy przewidzieć tłumienie 12 dB na kwadrat zwężonego regionu. Powiększamy i widzimy to

^{zasymuluj ten obwód}

Prawdziwym kluczem jest ZAWSZE umieszczanie, rób to inteligentnie, a każda konfiguracja może działać na coś takiego, źle się z tym pogodzić i nie tylko będzie bardzo trudno wytyczyć planszę, ale trudno będzie uzyskać pożądaną precyzję.

Płaszczyzny pełne rządzą, gdy masz szybkie rzeczy, za każdym razem, gdy masz szybkość krawędzi w regionie ns (Szybkość zegara nie ma znaczenia, szybkość krawędzi ma znaczenie), chcesz solidną płaszczyznę przynajmniej w tym regionie, ja generalnie wykonuję bryłę w pierwszym prototypie za każdym razem i zadzieraj z nim później, jeśli nie dostanie tego, czego chcę (generalnie nie muszę go zmieniać).

Teraz w twoim przypadku liczy się dokładność prądu stałego i generalnie takie rzeczy najlepiej jest wykonywać z wykrywaniem różnicowym (Zdecyduj, w których dwóch punktach chcesz mierzyć napięcie i zmierz to napięcie, a nie w stosunku do jakiejś płaszczyzny).

Tylko dlatego, że masz płaszczyznę, nie oznacza, że ​​musisz się z nią połączyć w dowolnych punktach, możesz na przykład zdecydować o zwróceniu „uziemionego” końca rezystora w wzmacniaczu różnicowym do płaszczyzny w tym samym punkcie, co wejście poprzednich stopni dzielnik rezystora, zapewniając w ten sposób, że widzą to samo napięcie, hierarchiczne podstawy są dobrą rzeczą, ale różnicowe zasady pomiaru dla tych rzeczy.

5,49 wydaje mi się optymistyczny, abs max nie jest miejscem, w którym kiedykolwiek chciałbyś być.

Odsprzęgacze zwykle idą bezpośrednio do samolotu.

Jeśli zdecydujesz się podzielić płaszczyzny, musisz upewnić się, że istnieje ciągłe połączenie pod obszarem, w którym linie kontrolne przechodzą między nimi, nigdy nie biegniesz śladem po podziale w płaszczyźnie.

Biorąc pod uwagę swoje niskie prędkości, nie zapomnij, że możesz przeskoczyć próbkę, a dziesiątkowanie wydłuża efektywną długość słowa.

Kilka uwag na ten temat. Jak zauważyli inni, obecne pętle nie są twoimi przyjaciółmi. Powinieneś być świadomy swoich obwodów dużej mocy / wysokiej prędkości i miejsca, w którym energia jest do nich dostarczana. Cokolwiek pomiędzy tymi dwoma punktami znajduje się bezpośrednio w polu ognia, nie umieszczaj 16-bitowych przetworników ADC między przetwornikiem podwyższającym a diodami LED o dużej mocy sterowanymi PWM.

Podziały lub fosy w płaszczyznach naziemnych mogą być korzystne, ale szybko się angażują. Najważniejszą rzeczą do zapamiętania jest NIGDY NIGDY NIE PRZEKRACZAĆ DYSTRYBUCJI W SAMOLOTIE Z LINIĄ SYGNAŁOWĄ O DUŻEJ PRĘDKOŚCI / CZUŁOŚCI . Twoje linie sygnałowe potrzebują ścieżki prądu powrotnego tuż obok nich. Więc jeśli stworzysz podkowę wokół ADC, musisz również skierować wszystkie sygnały wokół tej fosy. Jeśli absolutnie musisz przekroczyć podział, możesz użyć lokalnego kondensatora, aby połączyć oddzielne płaszczyzny GND, ale wtedy pokonujesz cel fosy na pierwszym miejscu. Zakładając, że masz planszę wielowarstwową, ale byłoby o wiele mniej bolesne po prostu nie robić tego. Zamień warstwy przed podziałem na inną płaszczyznę, która ma jednolitą płaszczyznę odniesienia. NBnie dotyczy to sygnałów / obciążeń DC lub niskiej częstotliwości. Są na tyle szczęśliwi, że podążają ścieżką najmniejszego oporu wokół fosy. Nie zapomnij, że musisz dopasować podziały w płaszczyznach GND do pasujących podziałów w płaszczyznach mocy!

Aby to skomplikować, dotyczy to płaszczyzny odniesienia, tj. Płaszczyzny uziemienia obok warstwy sygnałowej. Jeśli masz 8 warstw lub więcej, nie ma znaczenia, co jest na płaszczyźnie L2, jeśli twój wrażliwy obwód znajduje się na L8. Możesz również użyć płaszczyzny zasilania jako odniesienia, ale często w dzisiejszych czasach masz dowolną liczbę płaszczyzn zasilania (5 V, 3,3 V, 1,8 V, 1,2 V, -5 V, cokolwiek), więc obrażające obwody można odnieść tylko do płaszczyzny zasilania pochodzi z .. Odwołanie PHY 1,8 V do płaszczyzny 3,3 V nie będzie działać. Chyba, że ​​wiesz, że ponownie zapewniasz te szwy między płaszczyznami.

Zrobiłem szybki obwód multipleksowy ADC, który osiągnął poziom zerowego szumu (~ 0,6 jednostki ADC), dzieląc VCC i VCCA oraz GND i AGND. Ale wiem, co robię i spędziłem czas religijnie mapując linie analogowe i tworząc „wyspy” pokrewnej miedzi na następnej warstwie i tak dalej. Przez większość czasu po prostu trzymam wszystkie podstawy razem i pilnuję bieżących pętli.

Zmiana warstw liczy się również jako podział w płaszczyźnie, więc powinieneś mieć pasujący GND przez (s) w pobliżu, aby szybki prąd powrotny nie musiał robić dodatkowych objazdów.

Uwaga końcowa : prąd powrotny podąża ścieżką najmniejszego oporu. W przypadku niskich częstotliwości jest to najkrótsza dostępna trasa z litej miedzi, która może nie podążać za śladem sygnału / mocy. W przypadku wyższych częstotliwości znajduje się tuż obok sygnału sterującego, ponieważ separacja zwiększa impedancję. Dlatego przecinanie samolotów kończy się płaczem, gdy tworzysz nieciągłość, która powoduje odbicia, promieniowane częstotliwości radiowe, utratę integralności sygnału, deszcz żab i tak dalej.

Możesz całkowicie oddzielić zasilanie i masę dla analogowego i cyfrowego. Użyj izolowanych przetwornic DC-DC i optoizolacji dla cyfrowego interfejsu między nimi.