Должен ли я действительно разделить плоскость заземления на аналоговую и цифровую части?

Я собираюсь разработать свою первую печатную плату в рамках моего дипломного проекта. Конечно, в качестве первого шага я стараюсь учиться как можно больше. В части исследования я обнаружил эту статью из 3 частей , которая предполагает, что это необязательно, а в некоторых случаях даже вредно разбивать плоскость заземления на аналоговую и цифровую часть, что противоречит тому, что я узнал от проф. Я также прочитал все темы на этом сайте, которые касаются наземных самолетов. Хотя большинство согласны с этой статьей, все же есть некоторые мнения, которые выступают за разделение наземной плоскости. например

/electronics//a/18255/123162 /electronics//a/103694/123162

Как новичок в разработке печатных плат, я нахожу это запутанным и трудно решить, кто прав и какой подход выбрать. Итак, я должен разделить плоскость заземления на аналоговую и цифровую части? Я имею в виду физическое разделение, либо с разрезом печатной платы, либо с наличием отдельных многоугольников для DGND и AGND (либо не соединенных, либо соединенных в одной точке)

Возможно, чтобы дать вам возможность сделать рекомендацию, соответствующую моей предполагаемой печатной плате, я расскажу вам об этом.

Печатная плата будет разработана в бесплатной версии Eagle => 2 слоя

Печатная плата предназначена для тестирования и точного измерения (ток и напряжение) литиевых батарей. Плата должна управляться из Raspberry Pi по цифровому интерфейсу (GPIO / SPI (40 кГц)). На плате будет 3 преобразователя данных (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) и разъемы для встроенного модуля RTC на цифровой стороне. Аналоговое питание поступает от внешнего регулируемого источника питания через встроенный регулятор напряжения LT3042 (5,49 В). Кроме того , существует опорного напряжения V LT6655B 5. Аналоговая часть - это, по сути, цепь постоянного тока, единственная действительно ВЧ - это внутренние тактовые частоты 16 МГц АЦП.

Цифровое напряжение 3,3 В (в основном для питания цифровых интерфейсов) будет получено от Raspberry PI. Таким образом, будет 2 заземления: внешний источник питания и цифровой интерфейс Raspberry Pi.

В связи с этим другой вопрос: обращаясь к рисунку 3 , как мне убедиться, что возвратные токи от цифровых интерфейсов протекают к правильному заземлению (помните, у меня их 2)?

Дополнительная проблема: может ли схема распределения мощности мешать чувствительным измерениям? Я собирался разделить их, направляя энергию на нижний слой, но это больше не является хорошей идеей в случае монолитного заземления

И пока я все еще спрашиваю: если предположить более или менее монолитную плоскость заземления снизу и слой сигнала / компонента сверху, как лучше всего подключить отрицательную сторону байпасных конденсаторов к плоскости заземления?

Вы должны думать с точки зрения общего сопротивления (не сопротивления, а полного сопротивления).

Рассмотрим части схемы, которые используют GND в качестве эталона 0 В для чувствительных аналоговых целей. Очевидно, вы хотите, чтобы каждая из этих «0В ссылок» имела одинаковый потенциал «0В». Однако ток, проходящий через плоскость GND, будет вносить дополнительное напряжение ошибки в верхнюю часть каждого 0V чипа.

Теперь нарисуйте схему своего GND, через него проходят токи.

Если вы не разделяете плоскость, но через нее проходят большие токи, потому что вы поместили входной разъем питания с левой стороны, выходной разъем питания с правой стороны и сверхчувствительные аналоговые биты посередине, тогда вы может возникнуть проблема из-за высокого тока, протекающего в GND и создающего градиент напряжения.

В зависимости от частоты учитывайте импеданс (то есть индуктивность, а не только сопротивление).

Теперь есть несколько решений для этого.

• Вы можете расположить свои разъемы питания в более разумных местах (например, вход питания рядом с выходом мощности), чтобы высокие токи не перемещались в плоскости вашего GND. Это относится ко всем токовым петлям, которые несут большие, зашумленные или высокие токовые / сильные токи, такие как внутренние петли DCDC, или петли между ним и его нагрузкой (скажем, процессором) или даже путь заземления между развязывающей крышкой и чип он разъединяет.

Убедитесь, что вы знаете, где эти петли! Заказывайте их по степени сложности (примерно «область * ди / дт» для переменного тока или «область * I» для постоянного тока). Размещение имеет важное значение. Хорошее размещение с плотными токовыми петлями делает компоновку намного меньше головной боли.

• Вы можете использовать дифференциальные усилители и АЦП, которые игнорируют синфазный шум.

Это обязательно, если чувствительное напряжение находится на токовом шунте высокого напряжения. Теперь, скажем, вы используете текущий усилитель чувств, например. Не забудьте все, что напряжение на его «выход» опорного штифта (часто помечаются «GND») добавляется непосредственно к выходу ... поэтому не клюшка смысл усилителя между двумя МОП-транзисторов с его «GND» штырь посередине «мотор текущий возврат "путь ...

• Вы также можете разделить самолет, но тогда вам нужно решить, где вы собираетесь его разделить. И (это то, где вещи становятся неприятными), где вы связываете свои два основания вместе в DC (или на высоких частотах, если вы используете изоляторы ...

Назовем ваши два основания AGND и PGND (аналоговое и силовое). Некоторые говорят разделить и присоединиться к AGND / PGND или AGND / DGND под АЦП. Это означает, что любой ток, который проходит между AGND и PGND, должен протекать сейчас в заземлении под АЦП, что является наихудшим возможным местом.

Решением, которое имеет большой смысл, является «скрытый раскол». Размещение имеет важное значение. Например, вы помещаете элементы питания / шума справа, а чувствительные элементы слева. Вы устанавливаете развязывающие колпачки так, чтобы петли токов питания, проходящие через GND, были короткими и хорошо расположенными. Затем, так как ваша плата имеет две четко определенные зоны, вы можете сузить ширину заземляющей плоскости, соединяющей их, чтобы гарантировать, что высокие токи не будут проходить по земле чувствительных битов.

Это очень наглядно и сложно объяснить, а правильное расположение разъемов очень важно.

Эти учебники хороши: https://learnemc.com/emc-tutorials

Простого введения SLITS в плоскость GND может быть достаточно, чтобы в значительной степени не допустить попадания цифрового мусора / питания / реле / ​​двигателя в деликатные аналоговые области. [РЕДАКТИРОВАТЬ 9 июня Показано, что узкая область будет достигать 12 дБ / квадратное затухание. РЕДАКТИРОВАТЬ Июнь 2019 Не забудьте также разрезать Power Plane (предложено ячменем)]

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Что мы можем предсказать о расположении щели в зависимости от входного и выходного тока проникновения?

^{смоделировать эту схему}

Чего ожидать, когда щель вторгается в токи?

^{смоделировать эту схему}

У нас было около 40 микровольт / квадрат по нижнему краю платы, предполагая 0,0005 Ом / квадрат. Мы можем оценить падение напряжения I * R, вызванное ОДНЫМ АМПЕРОМ в правом верхнем углу печатной платы, вдоль самого нижнего края печатной платы внутри аналоговой области, как простое

Slit_Atten = длина щели / длина всей петли внутри чувствительной области

Падение напряжения в самом низу (на квадрат)

Напряжение через щель * Slit_Atten

Математика: щель 4 квадрата, таким образом, 4 * 40 мкВ = 160 мкВ.

Slit_Atten составляет 4 квадрата / 20 квадратов (вся периферия петли) = 20%.

Падение I_R на квадратный квадрат составляет 160 мкВ * 20% = 32 мкВ.

Это показывает ценность использования только узких областей между цифрой / шумом и аналоговой.

Вот еще один способ прорезать.

^{смоделировать эту схему}

Напряжение на квадрат, где операционные усилители требуют тихого заземления = 32 мкВ, на квадрат. Не очень тихо Что делать?

1) разрезать щель дальше в плоскости; теперь 80%, 95% и, вероятно, экспоненциальное улучшение тишины; запустить SPICE сим и посмотреть, как

2) сделать щель ----- не узкой ---- но глубокой, вот так

^{смоделировать эту схему}

Что мы можем предсказать относительно затухания "L" щелей? Оказывается, мы можем предсказать ослабление 12 дБ на квадрат суженной области. Мы увеличиваем и видим это

^{смоделировать эту схему}

Настоящим ключом является ВСЕГДА размещение, делайте это разумно, и любая установка может работать на что-то подобное, слишком ошибочно, и не только будет очень трудно ориентировать доску, но будет трудно получить желаемую точность.

Правило сплошных плоскостей, когда у вас происходят быстрые вещи, в любое время, когда у вас есть граничные частоты в области нескольких нс (тактовая частота не имеет значения, граничные частоты имеют значение), вам нужна сплошная плоскость, по крайней мере, в этой области, я обычно делаю сплошную плоскость в первом прототипе каждый раз и возиться с ним позже, если он не даст мне то, что я хочу (мне вообще не нужно его менять).

Теперь в вашем случае точность постоянного тока имеет значение, и, как правило, такие вещи лучше всего делать с дифференциальным зондированием (определите, между какими двумя точками вы хотите измерить напряжение, и измерьте это напряжение, а не одну относительно некоторой плоскости).

То, что у вас есть плоскость, не означает, что вам нужно подключиться к ней в произвольных точках, вы можете, например, решить вернуть «заземленный» конец резистора в дифференциальном усилителе в плоскость в той же точке, что и вход предыдущих ступеней. Резистор делителя, таким образом гарантируя, что они видят одно и то же напряжение, иерархические основания - это хорошая вещь, но дифференциальные правила измерения для этого материала.

5.49 кажется мне оптимистичным, abs max - это не то место, где вы когда-либо хотели бы быть.

Разъединители обычно идут прямо в самолет.

Если вы решили разделить плоскости, то вы должны убедиться, что под областью, где проходят контрольные линии, имеется непрерывное соединение, и вы никогда не проведете никакой трассы по разделению в плоскости.

Учитывая ваши низкие скорости, не забывайте, что вы можете сделать выборку больше, и этот коэффициент увеличивает эффективную длину слова.

Некоторые заметки по этому поводу. Как уже отмечали другие, текущие петли не ваши друзья. Вы должны знать о своих цепях высокой мощности / высокой скорости и о том, где на них подается питание. Все, что находится между этими двумя точками, находится непосредственно в зоне возгорания, не помещайте свои 16-разрядные АЦП между повышающим преобразователем и мощными светодиодами с ШИМ-управлением.

Расколы или рвы в наземных плоскостях могут быть полезны, но они быстро включаются. Самое главное , чтобы помнить, чтобы НИКОГДА не CROSS раскол САМОЛЕТА С высокоскоростномом / SENSITIVE сигнальной линией . Ваши сигнальные линии нуждаются в пути возврата тока прямо рядом с ними. Поэтому, если вы создадите подкову вокруг АЦП, вам придется также направить все сигналы вокруг этого рва. Если вам абсолютно необходимо пересечь разделение, вы можете использовать локальный конденсатор для соединения отдельных плоскостей GND, но в первую очередь вы побеждаете назначение рва. Предполагая, что у вас есть многослойная доска, но было бы гораздо менее болезненно просто не делать этого. Поменяйте местами слои перед разделением на другую плоскость, которая имеет равномерную базовую плоскость NBэто не относится к постоянным или низкочастотным сигналам / нагрузкам. Они достаточно счастливы, чтобы идти по пути наименьшего сопротивления вокруг рва. Не забывайте, что вы должны сопоставлять расщепления в плоскостях GND с соответствующими расщеплениями в плоскостях мощности!

Чтобы сделать это более сложным, это относится к базовой плоскости, то есть к плоскости заземления рядом со слоем сигнала. Если у вас есть 8 или более слоев, не имеет значения, что находится на плоскости L2, если ваша чувствительная схема находится на L8. Вы также можете использовать плоскость электропитания в качестве эталона, но часто в наши дни у вас есть любое количество плоскостей электропитания (5 В, 3,3 В, 1,8 В, 1,2 В, -5 В и т. Д.), Поэтому неисправные схемы можно отнести только к силовой плоскости. это происходит из-за того, что ссылка на плоскость 1,8 В PHY на 3,3 В не будет работать. Если вы не знаете, вы снова предоставите эти колпачки между самолетами.

Я сделал высокоскоростную схему мультиплексирования АЦП, которая достигла практически нулевого уровня шума (~ 0,6 АЦП), разделив VCC и VCCA плюс GND и AGND. Но я знаю, что я делаю, и я потратил время на религиозное картирование аналоговых линий и создание «островков» связанной меди на следующем слое и так далее. Большую часть времени я просто держу все основания вместе и возражаю против текущих петель.

Смена слоев также считается расщеплением в плоскости, поэтому вы должны иметь соответствующий GND через (-их) рядом, чтобы высокоскоростной обратный ток не должен был делать дополнительные обходы.

Последнее замечание : ток возврата следует по пути наименьшего сопротивления. Для низких частот это самый короткий доступный маршрут из сплошной меди, который может не следовать вашему сигналу / трассе мощности. Для более высоких частот он находится рядом с управляющим сигналом, поскольку разделение увеличивает импеданс. Вот почему пересечение плоскостей заканчивается слезами, поскольку вы создаете прерывистость, которая приводит к отражениям, излучаемым радиочастотам, потере целостности сигнала, дождю лягушек и так далее.

Вы можете полностью разделить питание и заземление для аналоговых и цифровых. Используйте изолированные преобразователи постоянного тока и оптоизоляцию для цифрового интерфейса между ними.