Какой подход к компоновке печатной платы для трассировки сигнала и мощности в аналоговых схемах предпочтительнее и что следует учитывать?

В общем, я предпочитаю использовать модифицированное решение A просто потому, что оно кажется (при первом проходе) более простым (и более чистым) для трассировки, чем B. Существенное изменение (для моего решения) заключается в том, что оба слоя допускают большие массы меди, подобные плоскость для использования - почему бы не добавить сверху медную заливку?

Далее я увеличил медную площадь для питания и включил (как было сказано ранее) шунтирующие заглушки. Также важно то, что переходы питания и заземления были добавлены сразу после размещения микросхем. Такого рода вынуждает проектировщика раньше рассмотреть вопрос о разводке питания.

На нижнем слое находится медная заливка GND. И если мне очень хочется, я добавлю медный GND сверху (придерживаясь представления о том, что нельзя получить достаточно GND).

Чтобы переместить потоки питания ближе к ИС, переместите стопку резисторов к правой стороне ИС. Что приводит к следующему методу B (тоже модифицированному).

МЕТОД Б (модифицированный) =============================

• подтолкнуть стопку резисторов к нижнему слою.

• не иметь слишком длинной трассы, таким образом, внизу будет в целом «хорошая» плоскость заземления.

• тянуть медь льется прямо до ICs.

(кстати, все эти переходы в оригинальном B были для меня слишком :)

Вот вид нижнего слоя (без медной заливки GND)

Краткое изложение изменений исходного помещения:

1. Подумайте о том, чтобы налить больше меди на верхний слой, чтобы улучшить отдачу энергии.

2. Рассмотрите возможность использования нижней части для компонентов.

И, конечно же:

3. добавить обходные заглушки

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ

С1. Метод А отлично подходит для маломощных, типичных операционных усилителей.

С2. Метод B необходим для моторных приводов.

Чего вы хотите избежать, если это возможно, так это того, чтобы ваши сигнальные пути пересекали пустоты опорной плоскости. Вы также захотите шунтировать как v +, так и v- на землю, поскольку вы управляете сигналами, привязанными к земле (экран разъема SMA). Попробуйте добавить обход и посмотрите, как это работает. Тем не менее, подход (A) — это то, что я бы выбрал.

Обычно я сначала делаю действительно важные цепи, затем локальные устройства развязки (поскольку они на самом деле достаточно важны), затем остальную часть сигнала, а затем включаю основную мощность в конце.

Вы также оказываете себе медвежью услугу, рассматривая наземную плоскость как волшебную универсальную землю, она более или менее работает большую часть времени в цифровых вещах и в остальное время не ужасна по своей сути, но подумайте о том, где текут токи!

Хотя ваш пример немного странный, чтобы показать это, я бы на самом деле рассматривал «землю» для всех этих неинвертирующих входов как критическую сеть, которая должна иметь, насколько я могу управлять, отсутствие тока, протекающего в ней. В более серьезной схеме с этим трудно справиться, просто бросив все на землю. Сетчатые галстуки — ваши друзья.

Я также был бы гораздо больше озабочен конструкцией токовых петель, рассмотрим один из средних операционных усилителей, ток течет от одной шины питания (какая зависит от того, в каком квадранте) через предыдущий операционный усилитель, через резисторы, а затем на выход следующий операционный усилитель в цепочке перед возвратом через другую шину питания. Значительная развязка показана на каждом операционном усилителе, и поскольку квадрант изменяется (и, таким образом, вы получаете импульсы тока полуволны в каждой шине), вы должны быть осторожны с тем, как шунтирующие конденсаторы соединяются с «землей», чтобы избежать подачи импульсов тока выпрямленного полуволны в ваша земля.

Ответ прост: это не имеет значения.

В обоих примерах есть дополнительная длина рассеяния (= индуктивность, если это не на таких высоких частотах, что эффекты TL тоже имеют значение) для сигналов или мощности, то есть сумма обоих примерно одинакова в любом случае.

На двухслойной плате с хорошо сшитой заливкой грунта отдать предпочтение одному слою для грунта — хорошая идея, при условии, что вам не нужны другие условия, такие как высокая плотность, двустороннее размещение или что-то в этом роде. В этом случае большинство дорожек прокладываются сверху, а переходные отверстия внизу для коротких дорожек-перемычек по мере необходимости. В сложной конструкции это может в конечном итоге занять значительную площадь маршрутизации (например, выход шин из микроконтроллеров; особенно те, где порты разбросаны по чипу, тьфу!), Но это сохраняет низкий импеданс земли между местоположениями и при достаточном расстоянии между дорожками, аналогичным образом удерживает их в хорошо согласованном микрополосковом или копланарном волноводе с геометрией земли (CPWG), хорошо до довольно высоких частот (таким образом, включая частоты, на которых преобладают эффекты TL).

...И это без учета локального обхода на чип!

Для обычных аудио операционных усилителей, логики семейства CD4000 и даже в некоторой степени семейства 74HC длина в несколько дюймов между нагрузками и шунтирующими конденсаторами, скорее всего, подойдет.

Показательный пример: на контроллерах оригинальной игровой консоли NES был сдвиговый регистр CD4021, без крышки байпаса и длиной кабеля более 2 м! Они прошли, ну да, они прошли все правила EMI, существовавшие в 1985 году, но я сомневаюсь, что уровни и методы слишком сильно отличались от сегодняшних. (Интересный вопрос [если они были другими], если у кого-то есть ссылка, чтобы добавить сюда.) Логика CD4000 медленная, как патока при 5 В, поэтому неудивительно, что она работала. 74HC - это действительно то место, где вам нужно ограничение в несколько дюймов, особенно для более высоких токовых нагрузок (водители автобусов?), И так далее, по мере того, как все становится быстрее (74LVC, в пределах сантиметра или двух и т. д.).

При локальном обходе маршруты PS не имеют значения. Ну вроде; они по-прежнему вносят вклад в индуктивность между точками, поэтому может потребоваться некоторое демпфирование, например, ферритовая шайба из общей точки или R + C (затухающий или «объемный» колпачок) на концевых концах / листьях сети. При адекватных потерях в сети ее полное сопротивление никогда не превышает волновое сопротивление сети.$Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}$, который мы можем спроектировать настолько низким, насколько нам нужно. (По сути, лень размещать колпачки вокруг и расстояние между ними и между чипами приводит к увеличению$Z_0$. Для операционных усилителей общего назначения нескольких ом более чем достаточно. Что легко достигается с помощью нескольких 0,1 мкФ и электролитов.)

Наилучшей практикой для аналоговых схем является уменьшение площади контура сигнала и его обратного пути и поддержание импеданса на как можно более низком уровне. Когда это невозможно, импедансы должны быть сбалансированы, чтобы уменьшить синфазный шум, превращающийся в дифференциальный.

Когда нет шума цепи или окружающего шума, при низком импедансе нет необходимости в заземляющем слое. Шумовое напряжение — это просто шумовой ток * импеданс цепи. f (V(f)=I(f)*Z(F), где Z(L)=2piL для короткой дорожки 0,5 нГн/мм или более длинного провода 1 нГн/мм (соотношение >40 l/d)

Хотя это в основном для РЧ или времени нарастания < 20 нс, вы можете увидеть разницу в площади сигнал+обратный контур на приведенном выше рисунке?

Вы должны научиться определять спецификации для каждого дизайна, чтобы знать, что можно протестировать, чтобы убедиться, что это работает. Это включает в себя спектр рассеяния и уровень электромагнитных помех в единицах мкА/м или мВ/м, а также скорость нарастания или частоту. обоих. Это включает в себя SMPS, питание переменного тока, двигатели, переключаемые катушки индуктивности и т. д. рядом с любыми кабелями. Затем вам нужно указать спектр и минимальный уровень сигнала, а затем, наконец, минимальный требуемый SNR. Это включает в себя смещение постоянного тока, которое вы можете обрезать на 1-й ступени.

Подключив кабель к осциллографу 10:1, можно измерить паразитное напряжение при нагрузке 10 МОм. Заделка его, а затем шунтирование ВЧ-заглушки на землю для снижения уровня электромагнитных помех. Наконец, используйте телефонный или НЧ/ВЧ CM CHoke для дальнейшей балансировки сигнала в интересующем диапазоне частот.

После того, как все это будет сделано, посмотрите на перекрестные помехи в вашей логике и маршрутизацию SMPS для сигналов с высоким импедансом, тогда даже с этим вам может не понадобиться заземляющий слой. Даже конструкции аудиооборудования Yamaha могут обойтись без этого.

После того, как вы это сделаете, вы можете решить, нужна ли вам вообще плоскость заземления , но вам всегда может понадобиться ВЧ-заглушка для заземления переменного тока, чтобы шунтировать низкочастотную линию и синфазный режим SMPS, шум CM.

Поскольку вы используете разъемы SMA, я предполагаю, что SNR важен, а использование OP07, который имеет низкое входное напряжение смещения 75 мкВ с током смещения в несколько нА, делает входное сопротивление очень высоким. Однако заземление другого входа делает вход очень несбалансированным. ТАК, прежде чем рассматривать заземляющий слой, сбалансируйте сигнал с дифференциальным коэффициентом R, используя 0,1% или лучше схему INA из 3 операционных усилителей с > 100 дБ CMRR. Это ваш первый шаг к устранению паразитных электромагнитных помех, вызванных кабелем. Потенциометр может легко обнулить смещение по постоянному току, а затем с помощью выбираемых одиночных резисторов R вы можете изменить усиление с помощью аналоговых переключателей.