Quando utilizzare i ritagli del piano di massa?

Ho letto di più sulle corrette tecniche di messa a terra e sull'uso dei piani di massa.

Da quanto ho letto, i piani di massa forniscono una grande capacità con strati adiacenti, una dissipazione del calore più rapida e riducono l'induttanza di terra.

L'unica area a cui sono particolarmente interessato è la capacità parassita / parassitaria creata. A quanto ho capito, questo è utile per le tracce di potenza ma potenzialmente dannoso per le linee di segnale.

Ho letto alcuni suggerimenti su dove posizionare piani di base solidi e mi chiedevo se si tratta di buoni consigli da seguire e cosa costituirebbe un'eccezione a questi suggerimenti:

1. Mantenere il piano di massa sotto tracce / piani di potenza.
2. Rimuovere il piano di massa dalle linee di segnale, in particolare le linee ad alta velocità o qualsiasi linea suscettibile alla capacità parassita.
3. Utilizzare gli anelli di protezione del terreno in modo appropriato: circondare le linee ad alta impedenza con un anello a bassa impedenza.
4. Utilizzare i piani di massa locali (lo stesso vale per le linee elettriche) per i circuiti integrati / sottosistemi, quindi collegare tutti i terreni al piano di massa globale in 1 punto, preferibilmente vicino allo stesso punto in cui si incontrano la terra locale e le linee elettriche locali.
5. Cerca di mantenere il piano di massa il più uniforme / solido possibile.

Ci sono altri suggerimenti che dovrei prendere in considerazione durante la progettazione della massa / potenza di un PCB? È tipico progettare prima il layout di potenza / terra, prima i layout del segnale o questi vengono eseguiti insieme?

Ho anche qualche domanda sul n. 4 e sugli aerei locali:

1. Immagino che collegare i piani di terra locali al piano di terra globale potrebbe comportare l'uso di vie. Ho visto dei suggerimenti su come utilizzare più piccole vie (tutte approssimativamente nella stessa posizione). È consigliato su un singolo più grande via?
2. Devo mantenere gli aerei globali di terra / potenza sotto gli aerei locali?

2) Consiglio vivamente CONTRO il taglio del terreno ovunque vicino ai segnali ad alta velocità. La capacità dispersa non ha davvero un grande effetto sull'elettronica digitale. Di solito la capacità parassita ti uccide quando agisce per creare un filtro parassita all'ingresso di un amplificatore operazionale.

In effetti, si consiglia vivamente di eseguire i segnali ad alta velocità direttamente sopra un piano di terra ininterrotto ; questo si chiama " microstrip ". Il motivo è che la corrente ad alta frequenza segue il percorso di minima induttanza. Con un piano di massa, questo percorso sarà un'immagine speculare della traccia del segnale. Ciò riduce al minimo le dimensioni del circuito, che a sua volta riduce al minimo l'IME irradiato.

Un esempio molto evidente di questo può essere visto sul sito web del Dr. Howard Johnson. Vedere le figure 8 e 9 per un esempio di corrente ad alta frequenza che percorre il percorso di minima induttanza. (nel caso in cui non lo sapessi, il Dr. Johnson è un'autorità per l'integrità del segnale, autore del tanto acclamato "Design digitale ad alta velocità: un manuale di magia nera")

È importante notare che eventuali tagli nel piano di terra sotto uno di questi segnali digitali ad alta velocità aumenteranno le dimensioni del circuito perché la corrente di ritorno deve fare una deviazione attorno al ritaglio, il che porta anche a un aumento delle emissioni. Vuoi un piano totalmente ininterrotto sotto tutti i tuoi segnali digitali. È anche importante notare che il piano di potenza è anche un piano di riferimento proprio come il piano di massa, e da una prospettiva ad alta frequenza questi due piani sono collegati tramite condensatori di bypass, quindi puoi considerare una corrente di ritorno ad alta frequenza per "saltare" aerei vicino alle calotte.

3) Se hai un buon piano di massa, non c'è praticamente alcun motivo per usare una traccia di guardia. L'eccezione sarebbe l'amplificatore operazionale di cui ho parlato prima, perché potresti aver tagliato il piano di massa sottostante. Ma devi ancora preoccuparti della capacità parassitaria di una traccia di guardia. Ancora una volta, il Dr. Johnson è qui per aiutare con belle foto .

4.1) Credo che più piccole vie avranno proprietà di induttanza migliori poiché sono in parallelo, rispetto a una grande occupando all'incirca la stessa quantità di spazio. Purtroppo non riesco a ricordare ciò che ho letto che mi ha portato a crederci. Penso che sia perché l'induttanza di una via è linearmente inversamente proporzionale al raggio, ma l'area della via è quadraticamente direttamente proporzionale al raggio. (fonte: Dr. Johnson di nuovo ) Allarga il raggio via 2 volte e ha metà dell'induttanza, ma occupa 4 volte più area.

Per quanto riguarda il collegamento dei piani di terra locali al piano di terra globale, è meglio utilizzare più piccole vie poiché contribuirà a distribuire la corrente e anche il tasso di guasto del PCB è ridotto al minimo oltre a fornire una migliore dissipazione del calore.

Non vi è alcun danno nel mantenere gli aerei globali di terra / potenza sotto gli aerei locali come se si osservassero i progetti di circuiti stampati multistrato, è ciò che viene seguito.

Fare attenzione a non definire liberamente le alte frequenze.

Vale la pena considerare gli effetti della linea di trasmissione, che richiedono tecniche di microstrip o stripline, quando la lunghezza della linea è 1/100 o più della massima frequenza di preoccupazione del segnale (Ulaby). Quindi, questo è utile per i progetti di microonde. Ad esempio, una forma d'onda 1 GHz in aria ha una lunghezza di 30 cm, tuttavia in FR-4 ne ha circa la metà (sqrt di epsilon r, permittività relativa, per FR-4 è circa 4, a seconda della composizione). Pertanto, una traccia lunga pochi centimetri sarebbe sicuramente fonte di preoccupazione per 1 GHz.

Per 10 MHz, gli effetti della linea di trasmissione sono appena percettibili. La quinta armonica di 10 MHz è 50 MHz e in FR-4 sarebbe circa 150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3 metri. Quindi, in un bus lungo 30 cm si potrebbero sperimentare gli inizi della distorsione di fase.

La vera preoccupazione è il rumore. Posando una traccia di larghezza sufficiente su un piano terra, l'energia del segnale si propaga attraverso il substrato tra la traccia e il piano terra (Poynting). E l'IME di altre fonti non può entrare.

Le linee microstrip hanno impedenza caratteristica che è determinata dalla larghezza della traccia, dallo spessore del substrato e dal materiale; le tracce più sottili hanno un'impedenza caratteristica più elevata. L'impedenza dell'aria libera è di 377 ohm. Quando Zo si avvicina a questa traccia, questa figura inizia a irradiarsi. Anche con un piano di massa. Allo stesso modo, l'ispessimento del substrato ha lo stesso effetto. Si noti che quando si lavora in alta frequenza, l'impedenza è la chiave ... terminazione, adattamento ... un bus sufficientemente lungo avrà riflessi misurabili se non terminato correttamente.

Tuttavia, con disegni densi arriva la necessità di tracce sottili. Quindi, comprometti qualcosa.

Per mantenere l'impedenza della linea della microstriscia invariata da una fessura del piano di massa, la fessura deve essere posizionata ad almeno due larghezze di microstriscia di distanza (se la microstriscia è proiettata verticalmente sul piano di massa).

Di seguito sono riportate diverse immagini di un risolutore di campi 3D che mostrano la distribuzione del campo elettrico all'interno della microstriscia e la densità di corrente nel piano di massa. La conclusione è che non c'è quasi nessun campo o corrente a due larghezze dalla microtripa. Quindi qui sono consentite interruzioni del piano terra.

Figura 1: sezione del campo elettrico perpendicolare alla linea di demarcazione. Vista 2D. Figura 2: sezione del campo elettrico perpendicolare alla linea di demarcazione. Vista 3D. Figura 3: densità di corrente nel piano di massa. Vista 2D Figura 4: densità attuale nel piano di massa. Vista 3D