Какова наилучшая топология заземления для этой платы смешанных сигналов?

Давайте проясним одну вещь: разделенные/разделенные наземные плоскости никогда не нужны , но они могут быть полезным методом для смягчения человеческих ошибок. Но вы всегда можете добиться такой же или немного лучшей производительности, используя одну неразделенную или щелевую заземляющую пластину и тщательную разводку платы.

Тем не менее, в большинстве случаев маршрутизация смешанных сигналов также довольно неумолима — одна ошибка в виде плохо размещенной трассы (и не обязательно явное неправильное размещение, например, трасса, пересекающая разветвление земли) — это все, что нужно, чтобы полностью испортить аналоговую производительность. на борту.

Так что на самом деле разделенные наземные самолеты — это скорее страховой полис, чем что-либо еще. Они могут предотвратить некоторые из более тонких ошибок, которые дизайнер может допустить в своем макете, оказывая минимальное влияние на доску. Однако недостатком разделения или разделения заземляющих плоскостей является то, что ваша плата теперь представляет собой красивую маленькую дипольную антенну (а если у вас больше двух плоскостей, плата представляет собой несколько дипольных антенн), что следует учитывать. Очевидно, что многие платы со смешанными сигналами на самом деле используют топологию с разделенным заземлением, поэтому во многих, если не в большинстве случаев, шум, возникающий из-за этого паразитного диполя, недостаточен, чтобы его можно было даже учитывать при проектировании. Но это заставит плату добавить больше экзогенного излучаемого мусора в ваш уровень шума,

Хорошо, давайте начнем глубокое погружение в это.

1. Помните, почему цепи называются цепями.

   С электрическими токами все представляет собой петлю. Он всегда круговой. Цепь. Наши методологии проектирования, абстрактные концепции и упрощения физических процессов, которые на самом деле происходят, очень часто склоняются к идее, что земля — это нетронутый потенциальный источник 0 В, на который всегда и всегда ссылаются все вещи, и никакой ток никогда не течет через землю , это просто туда, куда счастливо и спокойно возвращаются наши силовые и сигнальные токи.

   Конечно, мы лучше знаем. Мы знаем, что в каждом отдельном месте заземляющего слоя, в каждом другом соединении с землей, как только пропускается какой-либо ток, этот ток также течет через землю. И этот ток вызывает падение напряжения, и все эти пятна на самом деле больше не находятся в том единственном, великолепном идеале 0 В, который, как мы притворяемся, существует. Все имеет несколько разные потенциалы и всегда меняется по мере изменения наших обратных токов. Какие части земли претерпевают изменения потенциала и за счет чего, полностью зависит от пути этих токов.

   Вы, конечно, начали думать об обратных токах, и это здорово. И в этом заключается хитрость всего этого: если вы понимаете, как ведут себя обратные токи заземления, то вы можете контролировать это поведение и, таким образом, контролировать, что и на что влияет на вашу плату, исключительно тем, как вы разводите эту плату.

2. Подземные токи — это не какой-то каббалистический туман неопределенности.

   На самом деле, течения, о которых вам нужно беспокоиться, являются одними из самых благополучных. Давайте также проясним, о каких течениях мы беспокоимся . Если что-то не так ужасно, как правило, нас беспокоят обратные токи цифрового сигнала, вызывающие проблемы для нашей чувствительной аналоговой части. Аналоговая секция не просто беспокоится о различении двух чрезвычайно широких уровней напряжения или тока, как в случае с цифровыми, но вместо этого пытается что-то измерить. Обычно это что-то в конечном итоге имеет форму напряжения, а это означает, что наши измерения действительно настолько хороши, насколько хороша земля, относительно которой мы их измеряем.

   Цифровые сигналы могут показаться пугающими для тех, кто смотрит на них с точки зрения аналогового дизайна. Эти сигналы совсем не синусоидальные, они не мягкие и не плавные. Они острые, с быстрым временем нарастания, часто в наносекундах, если не быстрее. У вас есть когерентный шум от часов, и каждый небольшой переход от высокого к низкому, от 1 к нулю, является резким колебанием, которое хлопает по току, как молоток, заставляя его звенеть, вызывая шум широкого спектра, чье распределение мощности по частоте определяется по времени нарастания этого цифрового сигнала. Честно говоря, было бы не смело назвать все это худшим или почти худшим кошмаром аналогового разработчика.

   Но есть и огромное преимущество, дарованное нам вышеупомянутой природой цифровых сигналов. Они быстрые. Они не ведут себя как DC. Они слишком быстры, чтобы распространяться очень далеко от тока, о котором мы думаем, сигнального тока, тока, который течет по четко определенной трассе.

   Вот график распределения тока (в целом) для цифровых сигналов. (Источник: Генри Отт, исходный файл в формате PDF )

   Нижняя ось представляет собой отношение расстояний.$h$- это расстояние по вертикали (например, высота стека вашей печатной платы) между дорожкой сигнала и ее плоскостью заземления.$x$— расстояние от центра сигнальной дорожки наружу. По этой причине предпочтительнее, если это возможно, иметь плоскость заземления, непосредственно примыкающую к вашей верхней сигнальной плоскости. Но даже если быть консервативным и предположить значительный зазор, скажем, 1 мм, это означает, что более 87% всего обратного тока для цифрового сигнала находится в пределах 5 мм по обе стороны от центра сигнальной дорожки. Под него, конечно. Если у вас современная многослойная плата, между верхними дорожками и внутренней пластиной заземления может быть порядка 100 мкм препрега. Это еще больше локализует обратные токи, поскольку все, что имеет значение, — это соотношение. 97 % тока возврата на землю будет находиться в пределах 20-кратного зазора между сигнальной дорожкой и ее плоскостью возврата на землю. Для правильного наложения с зазором 100 мкм это полоса шириной 4 мм, которая следует непосредственно за траекторией этой дорожки.

Важно понимать цифры, но важным выводом здесь является то, что ваши обратные токи заземления следуют следам, которые их вызывают.Да, они немного расширяются, но вы можете контролировать, до какой степени, и если вы знаете, насколько сильно они расширяются, ну, это вся информация, которая вам нужна. Прокладывайте свои дорожки и держите их на достаточно безопасном расстоянии от всего на вашей плате, под которым вы не хотите, чтобы обратный ток протекал (таким образом воздействуя на землю локально), и вы можете добиться точно того же результата, что и с разделением. основания. Все, что делает разделенное заземление, это гарантирует, что ток ограниченной степени для этих быстрых сигналов даже МОЖЕТ распространиться, если разработчик совершит ошибку и поместит дорожку слишком близко к неправильному объекту, разделение создаст жесткий гальванический барьер, предотвращающий это возвращение. ток от достижения какой-либо чувствительной дорожки или того, что у вас есть поблизости.

Но вы также можете иметь единую заземляющую плоскость с хорошо проложенными и разнесенными трассами там, где они необходимы, и выполнять ту же задачу.

В большинстве случаев я бы сказал, что преимущества использования разделенной плоскости, вероятно, перевешивают незначительные недостатки, поскольку все мы делаем ошибки, и, как я уже сказал, приложения со смешанными сигналами не прощают ошибок. Но на самом деле вам никогда не нужно делить территорию.

Кое-что, чему я научился много лет назад (десятилетия?) от пары замечательных FAE из Unitrode: «правило бензопилы». По сути, основные разрезы в земле у вас правильные, но вы должны следовать правилу, что вы должны быть в состоянии разрезать стекловолокно бензопилой прямо через сделанные вами разрезы в земле. Т.е. не накладывать на эти срезы следов и медных наливов. Питание или сигнал, все должно проходить по заземляющему медному проводу. Вам, вероятно, потребуется расширить область заземления АЦП, чтобы поддерживать сигналы/мощность, которые также необходимы для соединения двух зон, но, в конце концов, ваша звезда находится на АЦП, где она и должна быть. Нижний разрез от АЦП вниз и влево я буду оспаривать, так как я думаю, что вам придется устранить этот разрез, чтобы приспособить цифровое соединение к АЦП (чтобы придерживаться правила бензопилы). ...Примечание,