PCB Ground Pour, Crosstalk e antenne

Sto cercando di capire gli effetti dei riempimenti di riempimento poligonali quando potrebbero verificarsi transizioni di linee ad alta velocità. Considera l'esempio di caso fabbricato di seguito:

In questo esempio i binari (colorati in azzurro) erano posizionati quanto più possibile a sinistra della tavola, ma dovevano essere avvicinati per adattarsi ai grandi fori del pad. Il riempimento rosso è il poligono di terra versato. Si noti che questo è un esempio fabbricato che presenta molti altri problemi non correlati alla mia domanda.

Per motivi di argomento, tutte le linee sono single-ended (come UART, SPI, I²C, ecc.) E possono avere tempi di transizione di 1 ~ 3 ns. C'è un piano di terra continuo sotto (distanza di 0,3 mm) ma la mia domanda riguarda specificamente il versamento del terreno in alto.

Nel caso C il versamento del poligono è stato in grado di penetrare in un luogo con spazio sufficiente per posizionare un secondo tramite la connessione, quindi la traccia di terra è correttamente vincolata al piano sottostante. Tuttavia, nei casi A, B, D ed E il getto ha fatto il più possibile senza spazio per i via, lasciando "dita" GND.

Quello che mi piacerebbe sapere, ignorando altre considerazioni sul routing, è se le "dita" A, B, D ed E debbano essere rimosse o forse contribuiscano a ridurre il crosstalk tra le tracce. Temo che il rumore del suolo possa rendere queste "dita" buone antenne e produrre EMI indesiderate. Ma allo stesso tempo sono riluttante a rimuoverli per l'eventuale beneficio di crosstalk che potrebbero avere.

MODIFICARE

Per un esempio di caso diverso, considerare questa immagine:

Il fan-out da ciascun circuito integrato impone una realtà in cui molte di queste dita sono inevitabili, tranne se ci liberiamo del versamento del GND interamente su quella sezione. Quest'ultima è la cosa giusta da fare? Il getto GND è benefico o piuttosto innocuo fintanto che è un riempimento GND?

pcb pcb-antenna crosstalk

— Guillermo Prandi
fonte

Se le dita sono abbastanza lunghe, potrebbero sicuramente contribuire al crosstalk. Le tracce di guardia GND non impediscono il crosstalk a meno che non siano ben legate al piano GND e abbiano una bassa impedenza al piano GND alle frequenze di interesse. Nei casi in cui hai spazio per le tracce di guardia adeguate, puoi semplicemente utilizzare una spaziatura ampia invece di ottenere l'isolamento da traccia a traccia. In pratica, l'instradamento dei segnali I2C, UART e SPI è molto tollerante e il cross-talk raramente è un problema. Naturalmente, maggiore è la lunghezza della traccia in cui sono vicini, maggiore sarà il crosstalk.

— mkeith,

Quindi, di regola, dovrei provare a tagliare qualsiasi "dito" di terra più lungo di 1/10 lambda, lasciando semplicemente lo spazio aperto?

— Guillermo Prandi

Posso solo dirti che è quello che vorrei fare. Non ho mai provato esperimenti controllati o letto ricerche dettagliate in tal senso. Ma logicamente, l'aggiunta di un conduttore "flottante" tra due segnali normalmente non li isolerà. Permetterà loro di incrociarsi. Quindi è tutta una questione di impedenza dall'estremità opposta del dito al piano GND. Se tale impedenza è bassa, il dito aiuterà a fornire isolamento. Altrimenti no.

— mkeith,

Consiglio di disattivare le termiche per le tue cuciture. Le termiche sono importanti per i fori passanti che devono essere saldati, ma non per i punti di cucitura intesi a fornire un buon accoppiamento incrociato.

— bitsmack

Per coloro che sono interessati a vedere dati sperimentali reali, ecco un documento di 153 pagine dell'Università di Twente, che descrive un gran numero di schede di test di base che coprono molti aspetti del layout del pcb, incluso il crosstalk: Comprensione degli effetti elettromagnetici

— DJVG

Risposte:

è se le "dita" A, B, D ed E devono essere rimosse o forse contribuiscono a ridurre il diafonia tra le tracce.

Dovrebbero essere rimossi perché in quanto non aiutano davvero e molto probabilmente peggioreranno le cose.

La tua preoccupazione sembra essere crosstalk. Quindi parliamone per un secondo.

Il crosstalk si verifica quando i soggetti (elettrici o magnetici) di un segnale (traccia) interagiscono o intersecano un altro segnale (traccia).

Ecco come appaiono i segnali tipici nella vista "Filds".

Combatti il crosstalk in alcuni modi.

Ridurre i tempi di salita. quindi riducendo il tempo di salita del segnale, si sta effettivamente riducendo il dv / dt che quindi riduce la diafonia. $Crosstalk \propto \frac{dv}{dt}$
Sposta i tuoi segnali più distanti. Ciò ridurrà l'interazione / intersezione dei campi dall'aggressore alla vittima. I feilds sono ancora lì, ma tu sei solo la punta di prudenza intorno ad esso.
Avvicina il tuo piano di riferimento. I campi stanno cercando stanno cercando il loro posto di riferimento. Questo è il percorso di minima impedenza per questo. Le linee feild si estendono quanto basta per trovare il suo percorso a bassa impedenza. Se avvicini l'aereo, è accoppiato molto più stretto.

Ora se hai una scheda a 2 strati e non puoi renderla più sottile (per avvicinare i due strati), allora ti rimangono le opzioni # 1 e # 2. Tuttavia, è possibile implementare l'opzione # 3 di un tipo di sorta su una scheda a 2 strati instradando una traccia di terra in parallelo con il segnale per l'intera lunghezza del segnale. I feilds stanno per essere lì, quindi perché non controllare con quale "segnale" i campi interagiscono.

Questo è ciò che stavi cercando di fare con il terreno versato sullo strato superiore. Affinché sia efficace, deve essere per l'intera lunghezza (o il più vicino possibile) del segnale (sostanzialmente seguendolo come un'ombra). Quindi le dita A, B, D, E sono inefficaci e possono eventualmente peggiorare le cose essendo un'antenna patch, ma C è l'unica in qualche modo a posto, secondo me. Non è completamente efficace per il segnale, ma non peggiorerà le cose.

— efox29
fonte

Quindi, come prendo dalla tua risposta, i versamenti di terra sono utili principalmente nelle schede a 2 strati, quando non sono disponibili piani di terra accoppiati e piani di potenza; nei PCB a 4 strati dovrei saltare il terreno a meno che non abbia una buona ragione per averne uno. Ho ricevuto un consiglio simile da questo documento PDF ( icd.com.au/articles/Copper_Ground_Pours_AN2010_4.pdf ) da "In-Circuit Design Pty Ltd". Per favore, aggiungi un commento nella tua risposta chiarendo sull'uso indiscriminato del terreno per renderlo più "in tema", quindi scelgo il tuo come risposta alla domanda.

— Guillermo Prandi,

C'è più di un motivo per usare i pour GND. Uno è cross-talk e l'altro è quello di prevenire le emissioni irradiate. Generalmente, l'aggiunta di colate di GND agli strati superficiali aiuta con le emissioni, ma, ancora una volta, evita isole lunghe senza via verso un piano GND. Devi controllare attentamente il getto e aggiungere via cuciture.

— mkeith,

tutte le linee sono single-ended (come UART, SPI, I²C, ecc.) e possono avere tempi di transizione di 1 ~ 3 ns.

Questo è dove hai sbagliato. I2C e UART funzionano a pochi MHz al massimo. SPI può essere eseguito a forse 10 MHz. Non sono necessari tempi di transizione fino a 3 ns. Ti risparmierai molto dolore rallentandoli. Il modo più semplice per farlo è aggiungere resistenza in serie ai driver per gli schemi monodirezionali (UART, SPI). Per I2C, è possibile aumentare la resistenza al pull-up per rallentare i tempi di salita. Per rallentare i tempi di caduta, dovrai semplicemente utilizzare un driver più debole (nessun dispositivo I2C appositamente progettato dovrebbe comunque produrre tempi di caduta così veloci).

Quello che mi piacerebbe sapere, ignorando altre considerazioni sul routing, è se le "dita" A, B, D ed E debbano essere rimosse o forse contribuiscano a ridurre il crosstalk tra le tracce.

Rimuovili.

Ridurranno la diafonia solo se riesci a trovare spazio per posizionare i viali in essi per legarli al piano di terra sotto di loro e tenerli a 0 volt per tutta la loro lunghezza. E anche questo è un caso. Una maggiore distanza tra le tracce è un modo migliore per ridurre la diafonia.

Temo che il rumore del suolo possa rendere queste "dita" buone antenne e produrre EMI indesiderate.

Assolutamente corretto.

— Il fotone
fonte

Grazie. So che UART, SPI, ecc. Possono essere rallentati. Ecco perché ho detto che c'erano altri "errori" nell'esempio PCB. Menzionare UART, SPI, ecc. Era solo per il bene della discussione.

— Guillermo Prandi,

@GuillermoPrandi, posso solo rispondere alla domanda che hai presentato. Nella domanda presentata, il modo migliore per evitare EMI e diafonia è rallentare i bordi dei segnali logici che non hanno bisogno di bordi così veloci.

— The Photon

Tuttavia, la mia domanda non riguardava le tecniche di riduzione dell'IME, ma come si comporta il terreno (e le sue "dita") nel contesto del crosstalk e dell'IME.

— Guillermo Prandi,