Punto singolo vs piano di massa, con layout PCB audio OP AMP audio


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Di recente avevo pubblicato una domanda apparentemente innocente su un altro forum. Stavo cercando di mantenere un circuito piccolo e relativamente semplice fino a una scheda a 2 strati e mi chiedevo quali fossero i meriti di schermatura di un getto di rame legato a terra analogica, invece di dedicare un piano separato ininterrotto usato per terra. Sebbene la mia domanda fosse solo in riferimento al valore di protezione di un tale getto di rame, una grande controversia è iniziata su un punto completamente diverso. Nel mio layout avevo creato una terra virtuale usando il tipico divisore di tensione che alimentava un amplificatore OP configurato con guadagno unitario, e quindi avevo eseguito ogni singolo ritorno di terra analogico in un punto adiacente all'uscita di quella terra virtuale. Avevo anche fatto un getto di rame sullo strato meno occupato e l'ho legato a quella stessa terra analogica, sempre nello stesso punto singolo. Ma ben presto ne conseguì una serie di post che ostacolavano il mio uso di uno schema di "ragnatela" così contorto, con molti ronzii in cui avrei dovuto solo creare un piano di terra e fare tutte le connessioni al punto più vicino disponibile di quel piano (attraverso via quando necessario). Fare così sicuramente rende visivamente un layout più semplice e pulito. Ma avendo seguito il percorso "single point" per così tanti anni, e avendo progetti per lo più di successo (che significa tranquillo e stabile), sono riluttante a cambiare. Soprattutto perché alcuni degli argomenti parlavano di motivi a punto singolo come qualcosa di arcaico e relegati ai circuiti del tubo a vuoto. Che cosa? con molte risonanze, dovrei solo creare un piano di massa e fare tutte le connessioni al punto più vicino disponibile di quel piano (attraverso via quando necessario). Fare così sicuramente rende visivamente un layout più semplice e pulito. Ma avendo seguito il percorso "single point" per così tanti anni, e avendo progetti per lo più di successo (che significa tranquillo e stabile), sono riluttante a cambiare. Soprattutto perché alcuni degli argomenti parlavano di motivi a punto singolo come qualcosa di arcaico e relegati ai circuiti del tubo a vuoto. Che cosa? con molte risonanze, dovrei solo creare un piano di massa e fare semplicemente tutte le connessioni al punto più vicino disponibile di quel piano (attraverso via quando necessario). Fare così sicuramente rende visivamente un layout più semplice e pulito. Ma avendo seguito il percorso "single point" per così tanti anni, e avendo progetti per lo più di successo (che significano abbastanza e stabili), sono riluttante a cambiare. Soprattutto perché alcuni degli argomenti parlavano di motivi a punto singolo come qualcosa di arcaico e relegati ai circuiti dei tubi a vuoto. Che cosa? Soprattutto perché alcuni degli argomenti parlavano di motivi a punto singolo come qualcosa di arcaico e relegati ai circuiti dei tubi a vuoto. Che cosa? Soprattutto perché alcuni degli argomenti parlavano di motivi a punto singolo come qualcosa di arcaico e relegati ai circuiti dei tubi a vuoto. Che cosa?

Quindi comunque, guardandomi intorno, la mia ricerca sull'argomento sembrava mostrare due campi su questo argomento. Un argomento è che quando è disponibile un piano di terra ininterrotto, è sempre superiore. L'altro argomento afferma che se si tratta di un circuito ad alta frequenza un piano di massa è migliore, ma per un circuito a bassa frequenza (incluso l'audio), il metodo di messa a terra a punto singolo è migliore, principalmente per evitare loop di terra.

Ovviamente ho ancora un dilemma, poiché questa volta i costi del prototipo mi stanno vincolando su una scheda a 2 strati, e questo significa che il mio pseudo piano terra sarà, nella migliore delle ipotesi, un getto di rame, interrotto da alcune brevi tracce qua e là . Ma prima di aggiungere quella complessità o la possibile eccezione alla regola, vorrei porre questa domanda specifica per una discussione generale: per un progetto audio che coinvolge amplificatori operazionali, quando è uno schema a terra a punto singolo la strada da percorrere e quando è solo il "percorso più vicino a un piano terra" più semplice, la scelta migliore (o almeno adeguata).

A titolo di esempio, queste schermate a due livelli mostrano due versioni ragionevolmente simili della stessa scheda, che in realtà è di circa 4 "x 2,5". Nel primo puoi vedere molte lunghe tracce su entrambi i lati del tabellone che culminano in un singolo pad etichettato AGND. Il secondo è quasi lo stesso circuito, ma questa volta l'area povera di rame blu fa parte della rete di terra analogica, quindi tutte quelle lunghe tracce sono andate via a favore del percorso più vicino al piano terra / getto di rame. A parte tutte le possibili critiche su altri problemi di layout che si potrebbero vedere, questo è solo un esempio. Mi piacerebbe davvero limitare questa discussione alla domanda originale.

versione a terra a punto singolo versione a terra a punto singolo

Percorso più vicino alla versione del piano di massa Percorso più vicino alla versione del piano di massa


Questa è un'ottima domanda! (Dalla mia esperienza limitata) Mi piace il single point ground per DC-audio (forse a 100kHz). (Dipende anche dal guadagno.) Una volta superata quella (f> 1MHz.) Ho trovato meglio avere una grande terra con più connessioni al pannello frontale / terra del case. Immagino che ci sia qualche connessione con le correnti di ritorno del segnale, ad un certo punto ti interessa di più dell'induttanza della linea di terra.
George Herold,

Sai, ho quasi iniziato a pensare all'induttanza di quei lunghi percorsi di terra come a un mio amico. Dopotutto, sembrerebbero inibire il guadagno a frequenze dove non si vorrebbe guadagnare in un circuito audio! E sì ... sulla questione del guadagno, questo particolare circuito è progettato per essere vicino all'unità tutt'intorno e gestire solo segnali a livello di linea (circa 100mV). Quindi è discutibile in un caso del genere che non importerebbe molto. Ma penso che sarebbe meglio avere una mente aperta se in un modo o nell'altro è davvero meglio. Ora, a parte la seccatura del routing, hai avuto effetti negativi sulla messa a terra di un singolo punto?
Randy,

Grin, beh, un guadagno di 10 ^ 4, BW DC- ~ 2-3 MHz. Il primo pcb a punto singolo non ha oscillato ... ma quasi. Aveva un guadagno malvagio al di fuori di un'alta frequenza. Ad alta frequenza l'induttanza non è tua amica. Penso che porti a uno sfasamento. Hai mai guardato qualcosa del genere integrità del segnale, dove parlano di dove fluiscono le correnti di ritorno (gnd)?
George Herold,

Ho sentito che alle alte frequenze, il piano terra è la scelta migliore, probabilmente a causa di quel problema di induttanza. Il problema, ovviamente, è che anche un circuito destinato all'audio potrebbe oscillare ad alta frequenza indesiderata. Quindi ho preso l'abitudine di aggiungere quelle reti RC in più per evitare Mr Murphy. Immagino a prescindere da quale metodo sia il migliore, né ci libera dall'aggiungere quei blocchi di circuiti contro tali problemi. Quel che è peggio ... induttanza di lunghe tracce o anelli di terra su piani di terra! ;-(
Randy,

Risposte:


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Ci sono pro e contro per entrambi.

Un piano di massa pieno del segnale ha il vantaggio che il segnale 0V è un 0V ad alta integrità e su cui si può fare affidamento, ma non quando vi sono correnti che fluiscono di qualsiasi significato. Nonostante un piano di massa abbia un'impedenza molto bassa, possono verificarsi cadute di volt quando scorrono correnti significative. La quantità di volt volt che costituisce un problema dipende interamente dal segnale più piccolo che si desidera amplificare.

Un sistema a stella evita quelle "correnti significative" menzionate nel paragrafo precedente assicurandosi che le tracce trasportino segnali (tracce di ritorno 0v) non condividano con queste correnti significative. Il lato negativo è che si finisce con anelli magnetici che possono avere tensioni indotte l'una dall'altra e la "corrente significativa" che scorre in una traccia diversa può essere accoppiata.


Bene lo apprezzo. Il tuo pensiero riflette il mio e io ho un po 'di storia lì. Ora prendiamo un caso in cui la maggior parte dei riferimenti di terra sono riferimenti puri che trasportano una corrente minima. Come l'ingresso + di un amplificatore operazionale che fa riferimento a terra virtuale attraverso 1 meg ohm. E supponiamo inoltre che sia un circuito a bassa corrente tutt'intorno, dove tutti i guadagni sono guadagni di tensione (non di potenza). Diresti che conta anche a quel punto? E che dire di un approccio ibrido ... in cui quei riferimenti puri sono legati a un piano, ma tutti i veri segnali restituiti hanno usato tracce isolate di ritorno all'origine del suolo?
Randy,

Vedo anche che, essendo limitato a due strati e usando un getto di rame al posto di un piano solido, è necessario ridurre al minimo la necessità di tracciare alcune tracce sul lato "getto". Nel mio secondo esempio, posso già vedere dove mi sono sparato nel piede, costringendo le correnti di terra tra la parte in basso a destra e la parte sinistra della tavola a doversi avvolgere lungo quelle lunghe tracce vicino al centro in basso. Da allora ho aggiunto alcuni via per reindirizzare tutti questi allo strato superiore, per fare in modo che il mio rame si avvicini di più a un piano terra.
Randy,

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Ci scusiamo per aver rilanciato il vecchio thread (una specie di), ma OP (e anche altri lettori) potrebbero trovare questo documento di un certo interesse:

http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5450

Come ho capito il documento sopra, si dovrebbe distinguere tra correnti di frequenza alte (1 MHz e superiori) e basse (1 MHz e inferiori) in quanto hanno percorsi di corrente di ritorno diversi. Quindi un piano di massa solido / singolo può essere utilizzato purché le tracce che trasportano segnali di frequenze diverse siano raggruppate insieme (cioè segnali ad alta frequenza con altri segnali ad alta frequenza su un lato e segnali a bassa frequenza insieme ad altri segnali a bassa frequenza sull'altro lato ).


Interessante e grazie. Dirò che in progetti di segnali misti che ho fatto, come l'articolo descrive ho sempre cercato di usare piani di terra divisi per aree di scavo e aud. Finora ho avuto buoni risultati, ma poi di nuovo lavoro raramente con un guadagno molto elevato e il mio lavoro analogico è nel regno dell'audio. Inoltre, dal mio post ho optato per semplici planimetrie in diversi progetti audio e le schede sono state ben educate. Dato che tutti i miei punti di terra portano quasi zero corrente, suppongo che non abbia molta importanza. Sospetto che molti degli argomenti a stella siano i più critici per i prototipi di schede perf cablate a mano.
Randy,
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