Когда использовать вырезы в плоскости земли?

Я читал больше о правильных методах заземления и использовании наземных самолетов.

Из того, что я прочитал, заземляющие плоскости обеспечивают большую емкость с соседними слоями, быстрее рассеивают тепло и уменьшают индуктивность заземления.

Одна область, в которой я особенно заинтересован, - созданная паразитная емкость. Насколько я понимаю, это полезно для трассировки мощности, но потенциально вредно для сигнальных линий.

Я прочитал несколько предложений о том, где размещать твердые грунтовые самолеты, и мне было интересно, если это хорошие рекомендации для подражания и что будет исключением из этих предложений:

1. Держите землю под силовыми следами / самолетами.
2. Снимите плоскость заземления с сигнальных линий, особенно высокоскоростных линий или любых линий, подверженных паразитной емкости.
3. Используйте заземляющие защитные кольца надлежащим образом: окружающие линии высокого импеданса с кольцом низкого импеданса.
4. Используйте локальные заземляющие плоскости (то же самое относится и к линиям электропередачи) для ИС / подсистем, затем привязайте все заземления к глобальной заземляющей плоскости в 1 точке, предпочтительно около того же места, где встречаются местное заземление и местные линии электропередачи.
5. Постарайтесь, чтобы поверхность земли была как можно более равномерной / твердой.

Есть ли другие предложения, которые я должен принять во внимание при проектировании основания / мощности печатной платы? Типично ли сначала проектировать схему питания / заземления, сначала схемы расположения сигналов, или они выполняются вместе?

У меня также есть несколько вопросов о № 4 и местных самолетах:

1. Я полагаю, что подключение локальных наземных самолетов к глобальной наземной плоскости может включать использование переходных отверстий. Я видел предложения, где используются несколько небольших переходных отверстий (все примерно в одном месте). Рекомендуется ли это через один больший канал?
2. Должен ли я держать глобальные наземные / силовые самолеты под местными самолетами?

2) Я настоятельно рекомендую ПРОТИВ резки земли где-нибудь рядом с высокоскоростными сигналами. Паразитная емкость действительно не сильно влияет на цифровую электронику. Обычно паразитная емкость убивает вас, когда она создает паразитный фильтр на входе операционного усилителя.

На самом деле, настоятельно рекомендуется запускать ваши высокоскоростные сигналы непосредственно над непрерывной земной плоскостью; это называется « микрополоска ». Причина в том, что высокочастотный ток следует по пути наименьшей индуктивности. С земной плоскостью этот путь будет зеркальным отображением трассы сигнала. Это минимизирует размер петли, что, в свою очередь, сводит к минимуму излучаемые электромагнитные помехи.

Очень яркий пример этого можно увидеть на веб-сайте доктора Говарда Джонсона. См. Рисунки 8 и 9 для примера высокочастотного тока, проходящего путь наименьшей индуктивности. (в случае, если вы не знали, доктор Джонсон является авторитетом в области целостности сигнала, автор высоко оцениваемого «Высокоскоростного цифрового дизайна: Руководство по черной магии»)

Важно отметить, что любые срезы в заземляющей плоскости под одним из этих высокоскоростных цифровых сигналов увеличат размер контура, потому что обратный ток должен идти в обход вокруг выреза, что также приводит к увеличению выбросов. Вы хотите, чтобы под всеми вашими цифровыми сигналами находился совершенно неповрежденный самолет. Также важно отметить, что плоскость питания также является базовой плоскостью, как и плоскость заземления, и с высокочастотной точки зрения эти две плоскости соединены через байпасные конденсаторы, так что вы можете считать высокочастотный обратный ток «скачком» самолеты возле шапки.

3) Если у вас хороший наземный самолет, нет никаких причин использовать защитный след. Исключением будет операционный усилитель, о котором я упоминал ранее, потому что вы могли вырезать плоскость заземления под ним. Но вам все равно нужно беспокоиться о паразитной емкости следа. Еще раз, доктор Джонсон здесь, чтобы помочь с красивыми картинками .

4.1) Я полагаю, что несколько небольших переходных отверстий будут иметь лучшие свойства индуктивности, поскольку они параллельны, по сравнению с одним большим, занимая примерно одинаковое количество места. К сожалению, я не могу вспомнить, что я прочитал, что заставило меня поверить в это. Я думаю, это потому, что индуктивность прохода линейно обратно пропорциональна радиусу, но площадь прохода прямо пропорциональна радиусу. (источник: снова доктор Джонсон ) Увеличьте сквозной радиус в 2 раза, и у него будет половина индуктивности, но он будет занимать в 4 раза больше площади.

Что касается подключения локальных заземляющих плоскостей к глобальной заземляющей плоскости, то лучше использовать несколько небольших переходных отверстий, поскольку это поможет распределить ток, а также уменьшит вероятность отказов печатной платы, помимо обеспечения лучшего рассеивания тепла.

Нет ничего плохого в том, чтобы держать глобальные плоскости земли / мощности под локальными плоскостями, как если бы вы наблюдали многослойные конструкции печатных плат, это то, что следует.

Будьте осторожны, чтобы не определить свободно высокую частоту.

Эффекты линии передачи, требующие использования микрополосковых или полосковых технологий, заслуживают внимания, когда длина линии составляет 1/100 или более от самой высокой частоты сигнала (Ulaby). Таким образом, это полезно для микроволновых конструкций. Например, сигнал с частотой 1 ГГц в воздухе имеет длину 30 см, однако в FR-4 он имеет приблизительно половину этого значения (кв. Эпсилон r, относительная диэлектрическая проницаемость для FR-4 составляет приблизительно 4, в зависимости от состава). Следовательно, длина в несколько сантиметров определенно будет иметь значение для 1 ГГц.

Для 10 МГц эффекты линии передачи едва заметны. Пятая гармоника 10 МГц составляет 50 МГц, а в FR-4 это будет примерно 150x10 ^ 6 м / с / 50x10 ^ 6 = 3 метра. Таким образом, в 30-сантиметровой шине могут возникнуть самые первые искажения фазы.

Настоящая проблема - это шум. Укладывая след достаточной ширины над земной плоскостью, энергия сигнала распространяется через подложку между дорожкой и земной плоскостью (Пойнтинг). И EMI из других источников не может войти.

Микрополосковые линии имеют характеристическое сопротивление, которое определяется шириной следа, толщиной подложки и материалом; более тонкие следы имеют более высокое характеристическое сопротивление. Сопротивление свободного воздуха составляет 377 Ом. Когда Zo следа приближается к этой фигуре, он начинает излучать. Даже с наземным самолетом. Кроме того, утолщение подложки имеет тот же эффект. Обратите внимание, что при работе на высокой частоте импеданс является ключевым ... согласование, согласование ... достаточно длинная шина будет иметь измеримые отражения, если не завершена правильно.

Однако с плотными конструкциями возникает необходимость в тонких следах. Итак, компромисс что-то.

Чтобы сохранить полное сопротивление микрополосковой линии с помощью гнезда в плоскости заземления, щель должна быть расположена на расстоянии не менее двух значений ширины микрополоски (если микрополоска проецируется вертикально на плоскость заземления).

Ниже приведены несколько снимков из трехмерного решателя поля, показывающие распределение электрического поля внутри микрополоски и плотность тока в плоскости земли. Вывод : почти нет поля или тока на расстоянии двух широт от микрополоски. Так что разрывы наземных самолетов здесь разрешены.

Рисунок 1: Сечение электрического поля, перпендикулярное полосе. 2D вид. Рисунок 2: Сечение электрического поля, перпендикулярное полосе. 3D вид Рисунок 3: Плотность тока в плоскости земли. 2D вид Рисунок 4: Плотность тока в заземленной плоскости. 3D вид