Devo davvero dividere il piano di massa in parti analogiche e digitali?

Sto per progettare il mio primo PCB come parte del mio progetto di laurea. Certo, come primo passo, cerco di imparare il più possibile. Una parte della ricerca ho trovato questo articolo in 3 parti , che suggerisce che non è necessario e in alcuni casi è persino dannoso dividere il piano di terra in parte analogica e digitale, il che contraddice ciò che avevo imparato dal prof. Ho anche letto tutti i thread su questo sito che riguardano i piani di terra / versi. Sebbene la maggioranza concordi con l'articolo, ci sono ancora alcune opinioni che sostengono il piano di terra diviso. per esempio

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Come novizio del design PCB, trovo confuso e difficile decidere chi ha ragione e quale approccio adottare. Quindi, dovrei dividere il piano di massa in parti analogiche e digitali? Intendo divisione fisica, con un taglio PCB o con poligoni separati per DGND e AGND (non collegati o collegati in un punto)

Forse per permetterti di formulare una raccomandazione, che è su misura per il mio potenziale PCB, te lo dico.

Il PCB sarà progettato nella versione gratuita di Eagle => 2 strati

Il PCB serve per testare e misurare con precisione (corrente e tensione) le batterie al litio. La scheda deve essere controllata da Raspberry Pi tramite interfaccia digitale (GPIO / SPI (40 kHz)). Ci saranno 3 convertitori di dati a bordo (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) e connettori per un modulo RTC integrato sul lato digitale. L'alimentazione analogica proviene dall'alimentazione esterna regolata tramite il regolatore di tensione LT3042 di bordo (5,49 V). Inoltre esiste un riferimento di tensione 5 V LT6655B. La parte analogica è essenzialmente un circuito DC, l'unico vero HF è il master clock interno a 16 MHz dell'ADC.

Il digitale 3.3 V (principalmente per l'alimentazione delle interfacce digitali) verrà fornito da Raspberry PI. Pertanto, ci saranno 2 collegamenti a terra: alimentatore esterno e interfaccia digitale di Raspberry Pi.

A questo proposito un'altra domanda: facendo riferimento alla Figura 3 , come posso assicurarmi che le correnti di ritorno dalle interfacce digitali fluiscano alla giusta connessione di terra (ricordate che ne ho 2)?

Ulteriore preoccupazione: la curva di distribuzione dell'alimentazione potrebbe disturbare le misurazioni sensibili? Li stavo separando instradando potenza sullo strato inferiore, ma non è più una buona idea in caso di piano monolitico

E mentre sto ancora chiedendo: supponendo un piano di terra più o meno monolitico sul fondo e uno strato di segnale / componente in alto, qual è il modo migliore per collegare il lato negativo dei condensatori di bypass al piano di terra?

Devi pensare in termini di impedenza condivisa (non resistenza, davvero impedenza).

Considera le parti del circuito che usano GND come riferimento 0V per scopi analogici sensibili. Ovviamente vuoi che ognuno di questi "riferimenti 0V" abbia lo stesso potenziale "0V". Tuttavia, la corrente che attraversa il piano GND introduce una tensione di errore aggiuntiva in cima allo "0V" di ciascun chip.

Ora traccia uno schema del tuo GND, con le correnti che lo attraversano.

Se non si divide il piano, ma ci sono correnti elevate che lo attraversano, perché si inserisce il connettore di ingresso dell'alimentazione sul lato sinistro, il connettore di uscita dell'alimentazione sul lato destro e i bit analogici super sensibili al centro, quindi si potrebbe avere un problema a causa dell'alta corrente che scorre in GND e della creazione di un gradiente di tensione.

A seconda della frequenza, considerare l'impedenza (cioè l'induttanza, non solo la resistenza).

Ora, ci sono diverse soluzioni a questo.

• È possibile posizionare i connettori di alimentazione in luoghi più ragionevoli (ad esempio, l'ingresso di alimentazione accanto all'uscita di potenza) in modo che le correnti elevate non viaggino sul piano GND. Questo vale per tutti gli anelli correnti che portano correnti di / dt elevate, rumorose o elevate, come gli anelli interni di un DCDC, o gli anelli tra esso e il suo carico (diciamo, un cpu) o persino il percorso di terra tra un cappuccio di disaccoppiamento e il chip che disaccoppia.

Assicurati di sapere dove sono questi loop! Ordinarli per disturbo (all'incirca "area * di / dt" per AC o "area * I" per DC). Il posizionamento è essenziale. Un buon posizionamento con anelli di corrente stretti rende il layout molto meno di un mal di testa.

• È possibile utilizzare amplificatori differenziali e ADC che ignorano il rumore di modo comune.

Questo è obbligatorio se la tensione da rilevare si trova su uno shunt di corrente high-side. Ora diciamo che ad esempio usi un amplificatore di rilevamento corrente. Non dimenticare la tensione presente sul suo pin "riferimento di uscita" (spesso etichettato "GND") direttamente aggiunto all'uscita ... quindi non attaccare l'amplificatore di rilevamento tra due MOSFET con il suo pin "GND" al centro del "motore percorso "ritorno corrente ...

• Potresti anche dividere l'aereo, ma poi devi decidere dove lo dividerai. E (è qui che le cose vanno male) dove colleghi i tuoi due motivi insieme a DC (o ad alte frequenze se usi isolatori ...

Chiamiamo i tuoi due motivi AGND e PGND (analogico e di potenza). Alcuni dicono di dividere e unirsi a AGND / PGND o AGND / DGND sotto l'ADC. Ciò significa che qualsiasi corrente che corre tra AGND e PGND deve fluire nel collegamento di terra sotto l'ADC, che è il posto peggiore possibile.

Una soluzione che ha molto senso è la "divisione nascosta". Il posizionamento è essenziale. Ad esempio, metti le cose potenti / rumorose a destra e quelle sensibili a sinistra. Posizionate i cappucci di disaccoppiamento in modo che i circuiti delle correnti di alimentazione che attraversano GND siano corti e ben posizionati. Quindi, poiché la tua scheda ha due zone ben definite, puoi restringere la larghezza del piano di terra che le collega, per garantire che correnti elevate non scorrano nel terreno dei bit sensibili.

È molto visivo e difficile da spiegare e posizionare i connettori in modo corretto è essenziale.

Questi tutorial sono buoni: https://learnemc.com/emc-tutorials

La semplice introduzione di SLIT nel piano GND può essere sufficiente per mantenere ampiamente i rifiuti digitali / di potenza / relè / motore dalle delicate aree analogiche. [MODIFICA 9 giugno Una regione ristretta otterrà un'attenuazione di 12 dB / quadrato. EDIT Giugno 2019 Ricorda di tagliare anche il Power Plane (suggerito dal barleyman)]

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Cosa possiamo prevedere sul posizionamento della fessura rispetto al punto In e Out della corrente intrusiva?

^{simula questo circuito}

Cosa aspettarsi, mentre la fenditura si intromette nelle correnti?

^{simula questo circuito}

Avevamo circa 40 microvolt / quadrato lungo il bordo inferiore del PCB, ipotizzando 0.0005 Ohm / quadrato. Possiamo stimare la caduta di tensione I * R, causata da UN AMPERE in alto a destra del PCB, lungo il bordo inferiore del PCB all'interno della regione analogica come semplicemente

Slit_Atten = lunghezza della fessura / intera lunghezza del loop all'interno della regione sensibile

La caduta di tensione in fondo (per quadrato) è

Tensione attraverso la fessura * Slit_Atten

Matematica: la fenditura è di 4 quadrati, quindi 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten è 4 quadrati / 20 quadrati (intera periferia del ciclo) = 20%.

Il calo I * R per_square è di 160 uV * 20% = 32 uV.

Ciò mostra il valore dell'utilizzo di sole regioni NARROW tra digitale / rumore e analogico.

Ecco un altro modo per tagliare.

^{simula questo circuito}

Tensione per quadrato dove OpAmps necessita di GND silenzioso = 32 uVolt, per quadrato. Non molto silenzioso Cosa fare?

1) tagliare ulteriormente la fessura nei piani; ora all'80%, passa al 95% e probabilmente ottiene un miglioramento esponenziale nella quiete; esegui la sim SPICE e scopri come

2) rendere la fessura ----- non stretta ---- ma profonda, in questo modo

^{simula questo circuito}

Cosa possiamo prevedere sull'attenuazione delle fessure a "L"? Risulta che possiamo prevedere un'attenuazione di 12 dB per quadrato della regione ristretta. Ingrandiamo e vediamo questo

^{simula questo circuito}

La vera chiave è SEMPRE il posizionamento, farlo in modo intelligente e entrambe le impostazioni possono funzionare per qualcosa del genere, sbagliare troppo male e non solo la scheda sarà molto difficile da instradare, ma sarà difficile ottenere la precisione desiderata.

Regola i piani solidi quando hai cose veloci in corso, ogni volta che hai frequenze dei bordi nella regione delle poche ns (la frequenza di clock non importa, le frequenze dei bordi lo fanno), vuoi un piano solido almeno in quella regione, generalmente faccio un piano solido nel primo prototipo ogni volta e scherzare più tardi se non mi ottiene quello che voglio (generalmente non ho bisogno di cambiarlo).

Ora, nel tuo caso, la precisione CC è importante, e generalmente queste cose vanno fatte meglio con il rilevamento differenziale (Decidi quali due punti vuoi misurare la tensione tra di loro e misurare quella tensione, non quella relativa ad un piano).

Solo perché hai un piano non significa che devi collegarti ad esso in punti arbitrari, puoi ad esempio decidere di riportare al piano l'estremità "messa a terra" di un resistore in un amplificatore differenziale nello stesso punto dell'input delle fasi precedenti resistore divisore, garantendo così che vedano la stessa tensione, i motivi gerarchici sono una buona cosa, ma regole di misurazione differenziale per questa roba.

5.49 mi sembra ottimista, abs max non è un posto dove vorresti mai essere.

I disaccoppiatori generalmente vanno direttamente sull'aereo.

Se decidi di dividere i piani, devi assicurarti che ci sia una connessione continua sotto l'area in cui le linee di controllo passano tra i due, non esegui mai alcuna traccia su una divisione nel piano.

Date le tue basse velocità, non dimenticare che puoi sovrastampare e che la decimazione estende la tua lunghezza effettiva delle parole.

Alcune note su questo. Come altri hanno sottolineato, i loop attuali non sono tuoi amici. Dovresti essere consapevole dei tuoi circuiti ad alta potenza / alta velocità e dove l'alimentazione è loro fornita. Qualunque cosa tra questi due punti si trovi direttamente nel campo di incendio, non mettere i tuoi ADC a 16 bit tra convertitore boost e LED controllati PWM ad alta potenza.

Spaccature o fossati nei piani di terra possono essere utili ma questi vengono coinvolti rapidamente. La cosa più importante da ricordare è MAI INCROCIARE MAI UNO SPACCATO IN AEREO CON UNA LINEA DI SEGNALE SENSIBILE / AD ALTA VELOCITÀ . Le tue linee di segnale hanno bisogno di un percorso di corrente di ritorno proprio accanto a loro. Quindi, se crei un ferro di cavallo attorno a un ADC, devi quindi instradare anche tutti i segnali attorno a quel fossato. Se devi assolutamente attraversare una divisione, potresti usare un condensatore locale per collegare piani GND separati ma poi stai sconfiggendo lo scopo del fossato al 1 ° posto. Presumendo che tu abbia una scheda multistrato, ma sarebbe molto meno doloroso non farlo. Scambia i livelli prima della divisione su un altro piano con piano di riferimento uniforme. NBciò non si applica ai segnali / carichi CC o a bassa frequenza. Sono abbastanza felici da seguire il percorso di minor resistenza attorno al fossato. Non dimenticare che devi abbinare le divisioni nei piani GND con le divisioni corrispondenti nei piani di potenza!

Per rendere questo più complicato, ciò si applica al piano di riferimento, ovvero al piano di terra vicino allo strato di segnale. Se hai 8 o più layer, non importa cosa c'è sul piano L2 se il tuo circuito sensibile è su L8. Puoi usare anche il piano di potenza come riferimento, ma spesso in questi giorni hai un numero qualsiasi di piani di potenza (5 V, 3,3 V, 1,8 V, 1,2 V, -5 V, qualunque cosa) in modo che i circuiti offensivi possano essere riferiti solo al piano di potenza proviene da .. Fare riferimento a un piano da 1,8 V PHY a 3,3 V non funzionerà. A meno che tu non lo sappia, fornisci di nuovo quei cappucci di cucitura tra i piani.

Ho realizzato un circuito multiplex ADC ad alta velocità che ha raggiunto un livello di rumore sostanzialmente zero (~ 0,6 unità ADC) suddividendo VCC e VCCA più GND e AGND. Ma so cosa sto facendo e ho trascorso del tempo a mappare religiosamente le linee analogiche e creare "isole" di rame correlato sul livello successivo e così via. Il più delle volte tengo insieme tutti i motivi e mi occupo dei circuiti attuali.

Cambiare i livelli conta anche come una divisione nel piano, quindi dovresti avere un GND corrispondente via (e) nelle vicinanze in modo che la corrente di ritorno ad alta velocità non debba fare deviazioni extra.

Nota finale : la corrente di ritorno segue il percorso di minor resistenza. Per le basse frequenze questa è la via di rame solido disponibile più breve che potrebbe non seguire la traccia del segnale / potenza. Per frequenze più alte si trova proprio accanto al segnale di pilotaggio poiché la separazione aumenta l'impedenza. Ecco perché attraversare gli aerei finisce in lacrime mentre crei discontinuità che si traduce in riflessi, frequenze RF irradiate, perdita di integrità del segnale, pioggia di rane e così via.

Potresti separare completamente alimentazione e terra sia per analogico che digitale. Utilizzare convertitori CC-CC isolati e isolamento ottico per l'interfaccia digitale tra i due.