Tôi có nên thực sự chia mặt phẳng mặt đất thành các phần tương tự và kỹ thuật số?

Tôi sắp thiết kế PCB đầu tiên của mình như là một phần của dự án tốt nghiệp của tôi. Tất nhiên, là bước đầu tiên, tôi cố gắng học càng nhiều càng tốt. Một phần của nghiên cứu tôi tìm thấy bài viết gồm 3 phần này , cho thấy rằng nó không cần thiết và trong một số trường hợp thậm chí còn có hại khi chia mặt phẳng mặt đất thành phần tương tự và kỹ thuật số, trái ngược với những gì tôi đã học được từ prof. Tôi cũng đọc tất cả các chủ đề trên trang web này có liên quan đến máy bay mặt đất / đổ. Mặc dù đa số đồng tình với bài báo, vẫn có một số ý kiến ​​ủng hộ việc chia tách mặt đất. ví dụ

https://electronics.stackexchange.com/a/18255/123162 https://electronics.stackexchange.com/a/103694/123162

Là một người mới thiết kế PCB, tôi thấy khó hiểu và khó quyết định ai đúng và cách tiếp cận nào. Vì vậy, tôi có nên chia mặt phẳng mặt đất thành các phần tương tự và kỹ thuật số? Ý tôi là sự phân chia vật lý, với việc cắt PCB hoặc có các đa giác riêng cho DGND và AGND (không được kết nối hoặc kết nối ở một điểm)

Có lẽ để cho phép bạn đưa ra một đề xuất, phù hợp với PCB tương lai của tôi, tôi nói với bạn về nó.

PCB sẽ được thiết kế trong phiên bản Eagle miễn phí => 2 lớp

PCB dùng để thử nghiệm và đo chính xác (dòng điện & điện áp) của pin lithium. Bảng mạch sẽ được điều khiển từ Raspberry Pi qua giao diện kỹ thuật số (GPIO / SPI (40 kHz)). Sẽ có 3 bộ chuyển đổi dữ liệu trên tàu (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) và các đầu nối cho một mô-đun RTC dựng sẵn ở phía kỹ thuật số. Nguồn điện tương tự đến từ nguồn cung cấp điện được điều chỉnh bên ngoài qua bộ điều chỉnh điện áp LT3042 trên bo mạch (5,49 V). Ngoài ra, còn có tham chiếu điện áp LT6655B 5 V. Phần tương tự về cơ bản là một mạch điện một chiều, HF thực sự duy nhất là xung nhịp chính 16 MHz bên trong của ADC.

Digital 3.3 V (chủ yếu để cung cấp năng lượng cho các giao diện kỹ thuật số) sẽ có nguồn gốc từ Raspberry PI. Do đó, sẽ có 2 kết nối mặt đất: cung cấp năng lượng bên ngoài và giao diện kỹ thuật số của Raspberry Pi.

Trong kết nối này, một câu hỏi khác: tham khảo Hình 3 , làm thế nào để tôi chắc chắn rằng dòng trở lại từ các giao diện kỹ thuật số chảy đến kết nối mặt đất bên phải (hãy nhớ rằng tôi có 2 trong số chúng)?

Quan tâm thêm: các curcuit phân phối điện có thể làm phiền các phép đo nhạy cảm? Tôi sẽ phân tách chúng bằng cách định tuyến nguồn ở lớp dưới cùng, nhưng đó không còn là ý tưởng hay trong trường hợp mặt phẳng nguyên khối

Và trong khi tôi vẫn đang hỏi: Giả sử mặt phẳng nguyên khối nhiều hay ít ở dưới cùng và lớp tín hiệu / thành phần trên cùng, cách tốt nhất để kết nối mặt âm của tụ điện bỏ qua với mặt phẳng đất là gì?

Bạn phải suy nghĩ về trở kháng chia sẻ (không phải trở kháng, trở kháng thực sự).

Hãy xem xét các phần của mạch sử dụng GND làm tham chiếu 0V cho các mục đích tương tự nhạy cảm. Rõ ràng bạn muốn mỗi "tham chiếu 0V" này có cùng tiềm năng "0V". Tuy nhiên, dòng điện chạy qua mặt phẳng GND sẽ đưa ra một điện áp lỗi bổ sung trên đầu "0V" của mỗi chip.

Bây giờ hãy vẽ sơ đồ GND của bạn, với các dòng điện chạy qua nó.

Nếu bạn không tách mặt phẳng, nhưng bạn có dòng điện cao chạy qua nó, bởi vì bạn đặt đầu nối đầu vào nguồn ở phía bên trái, đầu nối đầu ra nguồn ở phía bên phải và các bit analog siêu nhạy ở giữa, sau đó bạn có thể có một vấn đề do dòng điện cao trong GND và tạo ra một dải điện áp.

Tùy thuộc vào tần số, xem xét trở kháng (nghĩa là điện cảm, không chỉ điện trở).

Bây giờ, có một số giải pháp cho việc này.

• Bạn có thể đặt các đầu nối nguồn của mình ở những nơi hợp lý hơn (nghĩa là đầu vào nguồn bên cạnh đầu ra nguồn) để dòng điện cao không đi trong mặt phẳng GND của bạn. Điều này áp dụng cho tất cả các vòng hiện tại mang dòng điện di / dt lớn, ồn ào hoặc cao, như các vòng lặp bên trong của DCDC, hoặc các vòng lặp giữa nó và tải của nó (giả sử là một cpu) hoặc thậm chí là đường đi giữa nắp tách rời và con chip nó tách ra.

Hãy chắc chắn rằng bạn biết những vòng lặp này ở đâu! Đặt hàng chúng theo rắc rối (đại khái là "khu vực * di / dt" cho AC hoặc "khu vực * I" cho DC). Vị trí là cần thiết. Một vị trí tốt với các vòng hiện tại chặt chẽ làm cho bố cục ít đau đầu hơn.

• Bạn có thể sử dụng các bộ khuếch đại vi sai và ADC mà bỏ qua nhiễu chế độ chung.

Điều này là bắt buộc nếu điện áp cảm nhận nằm trên một shunt dòng điện phía cao. Bây giờ hãy giả sử bạn sử dụng một amp cảm giác hiện tại chẳng hạn. Đừng quên bất cứ điện áp nào trên chân "tham chiếu đầu ra" của nó (thường được gắn nhãn sai là "GND") được thêm trực tiếp vào đầu ra ... vì vậy đừng gắn amp cảm giác giữa hai MOSFET với chân "GND" ở giữa động cơ " đường dẫn hiện tại "...

• Bạn cũng có thể chia máy bay, nhưng sau đó bạn cần quyết định nơi bạn sẽ chia nó. Và (đây là nơi mọi thứ trở nên khó chịu) khi bạn liên kết hai căn cứ của mình với nhau tại DC (hoặc ở tần số cao nếu bạn sử dụng bộ cách ly ...

Hãy đặt tên cho hai cơ sở của bạn là AGND và PGND (tương tự và sức mạnh). Một số người nói sẽ chia tách và tham gia AGND / PGND hoặc AGND / DGND theo ADC. Điều này có nghĩa là bất kỳ dòng điện nào chạy giữa AGND và PGND đều phải chảy trong liên kết mặt đất theo ADC, đây là nơi tồi tệ nhất có thể.

Một giải pháp có ý nghĩa rất lớn là "chia nhỏ ẩn". Vị trí là cần thiết. Ví dụ, bạn đặt công suất / công cụ gây ồn ở bên phải và công cụ nhạy cảm ở bên trái. Bạn đặt các nắp tách rời của bạn để các vòng cung dòng chạy qua GND ngắn và được đặt tốt. Sau đó, vì bảng của bạn có hai vùng được xác định rõ, bạn có thể thu hẹp chiều rộng của mặt phẳng mặt đất kết nối chúng, để đảm bảo dòng điện cao không chạy trong mặt đất của các bit nhạy cảm.

Nó rất trực quan và khó giải thích, và đặt kết nối của bạn đúng cách là điều cần thiết.

Các hướng dẫn này là tốt: https://learnemc.com/emc-tutorials

Chỉ cần đưa SLITS vào mặt phẳng GND có thể đủ để giữ rác kỹ thuật số / nguồn / rơle / động cơ ra khỏi các khu vực tương tự mỏng manh. [EDIT ngày 9 tháng 6 Hiển thị một vùng hẹp sẽ đạt được mức suy giảm 12dB / vuông. EDIT tháng 6 năm 2019 Hãy nhớ rạch mặt phẳng Power Power (được đề xuất bởi barleyman)]

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Chúng ta có thể dự đoán gì về vị trí khe so với điểm xâm nhập hiện tại Điểm và Điểm ngoài?

^{mô phỏng mạch này}

Những gì mong đợi, khi khe xâm nhập vào dòng hải lưu?

^{mô phỏng mạch này}

Chúng tôi có khoảng 40 microvol / ô vuông dọc theo cạnh dưới của PCB, giả sử 0,0005 Ohms / ô vuông. Chúng ta có thể ước tính sự sụt giảm điện áp I * R, gây ra bởi MỘT AMPERE ở phía trên bên phải của PCB, dọc theo cạnh dưới cùng của PCB bên trong vùng tương tự như đơn giản

Slit_Atten = chiều dài của khe / toàn bộ chiều dài vòng trong vùng nhạy cảm

Điện áp rơi ở dưới cùng (trên mỗi ô vuông) là

Điện áp trên khe * Slit_Atten

Toán: khe là 4 hình vuông, do đó 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten là 4 hình vuông / 20 hình vuông (toàn bộ ngoại vi vòng lặp) = 20%.

Mức giảm per_sapes I * R là 160uV * 20% = 32 uV.

Điều này cho thấy giá trị của việc chỉ sử dụng các vùng NARWAY giữa kỹ thuật số / nhiễu và analog.

Đây là một cách khác để rạch.

^{mô phỏng mạch này}

Điện áp trên mỗi ô vuông trong đó OpAmps cần GND yên tĩnh = 32 uVolts, mỗi ô vuông. Không yên tĩnh lắm. Phải làm sao

1) cắt khe tiếp tục vào các mặt phẳng; bây giờ ở mức 80%, đạt 95% và có khả năng nhận được sự cải thiện theo cấp số nhân trong sự yên tĩnh; chạy sim SPICE và xem cách

2) làm cho khe ----- không hẹp ---- nhưng sâu, như thế này

^{mô phỏng mạch này}

Chúng ta có thể dự đoán gì về sự suy giảm của các khe "L"? Hóa ra chúng ta có thể dự đoán mức suy giảm 12 dB trên mỗi ô vuông của vùng bị thu hẹp. Chúng tôi phóng to và thấy điều này

^{mô phỏng mạch này}

Chìa khóa thực sự là LUÔN vị trí , thực hiện điều này một cách thông minh và thiết lập có thể hoạt động cho một cái gì đó như thế này, làm cho nó quá sai và không chỉ bảng sẽ rất khó định tuyến, nhưng sẽ rất khó để có được độ chính xác mà bạn muốn.

Quy tắc mặt phẳng rắn khi bạn có công cụ nhanh đang diễn ra, bất cứ khi nào bạn có tốc độ cạnh trong khu vực vài ns (Tốc độ đồng hồ không quan trọng, tỷ lệ cạnh làm), bạn muốn có một mặt phẳng rắn trong ít nhất là khu vực đó, tôi thường làm một mặt phẳng rắn trong nguyên mẫu đầu tiên mỗi lần và gặp rắc rối với nó sau này nếu nó không mang lại cho tôi những gì tôi muốn (tôi thường không cần phải thay đổi nó).

Bây giờ trong trường hợp của bạn, độ chính xác của DC rất quan trọng, và nói chung những việc như vậy được thực hiện tốt nhất với cảm biến vi sai (Quyết định hai điểm bạn muốn đo điện áp giữa và đo điện áp đó, không phải là điểm tương đối với mặt phẳng nào đó).

Chỉ vì bạn có một mặt phẳng không có nghĩa là bạn cần kết nối với nó tại các điểm tùy ý, ví dụ bạn có thể quyết định trả lại đầu 'nối đất' của một điện trở trong một amp vi sai cho mặt phẳng ở cùng điểm với đầu vào của các giai đoạn trước điện trở chia, do đó đảm bảo rằng họ thấy cùng một điện áp, căn cứ phân cấp là một điều tốt, nhưng quy tắc đo khác biệt cho công cụ này.

5,49 có vẻ lạc quan với tôi, abs max không phải là nơi bạn muốn đến.

Decouplers thường đi trực tiếp vào máy bay.

Nếu bạn quyết định phân tách các mặt phẳng, thì bạn phải đảm bảo rằng có một kết nối liên tục dưới khu vực nơi các đường điều khiển đi qua giữa hai mặt phẳng, bạn không bao giờ chạy bất kỳ dấu vết nào trên một mặt phẳng.

Với tốc độ thấp của bạn, đừng quên rằng bạn có thể qua mẫu và việc giảm dần sẽ kéo dài thời lượng từ hiệu quả của bạn.

Một số lưu ý về điều này. Như những người khác đã chỉ ra, các vòng lặp hiện tại không phải là bạn của bạn. Bạn nên chú ý đến các mạch công suất cao / tốc độ cao và nơi cung cấp năng lượng cho chúng. Bất cứ điều gì ở giữa hai điểm này đều trực tiếp trong trường bắn, đừng đặt ADC 16 bit của bạn giữa bộ chuyển đổi tăng áp và đèn LED điều khiển PWM công suất cao ..

Tách hoặc hào trong các mặt phẳng mặt đất có thể có lợi nhưng chúng được tham gia nhanh chóng. Điều quan trọng nhất cần nhớ là KHÔNG BAO GIỜ ĐƯỢC MỌI THỜI GIAN TUYỆT VỜI TRONG CÂY VỚI MỘT DÒNG TÍN HIỆU TỐC ĐỘ CAO / SENSITIVE . Các đường tín hiệu của bạn cần một đường dẫn hiện tại trở lại ngay bên cạnh chúng. Vì vậy, nếu bạn tạo một vành móng ngựa xung quanh một ADC, bạn cũng phải định tuyến tất cả các tín hiệu xung quanh con hào đó. Nếu bạn hoàn toàn phải vượt qua một phân chia, bạn có thể sử dụng một tụ điện cục bộ để liên kết các mặt phẳng GND riêng biệt nhưng sau đó bạn đang đánh bại mục đích của con hào ở vị trí số 1. Giả sử bạn đã có một bảng nhiều lớp nhưng sẽ không đau hơn nhiều nếu không làm điều đó. Hoán đổi các lớp trước khi tách sang mặt phẳng khác có mặt phẳng tham chiếu đồng nhất. Lưu ý điều này không áp dụng cho DC hoặc tín hiệu / tải tần số thấp. Họ đủ hạnh phúc để đi theo con đường ít kháng cự nhất quanh con hào. Đừng quên bạn phải ghép các phần tách trong các mặt phẳng GND với các phần tách phù hợp trong các mặt phẳng sức mạnh!

Để làm cho điều này phức tạp hơn, điều này áp dụng cho mặt phẳng tham chiếu tức là mặt phẳng tiếp đất bên cạnh lớp tín hiệu. Nếu bạn có 8 lớp trở lên, sẽ không có vấn đề gì trên mặt phẳng L2 nếu mạch nhạy cảm của bạn nằm trên L8. Bạn cũng có thể sử dụng mặt phẳng nguồn làm tài liệu tham khảo nhưng thường ngày nay bạn có bất kỳ số lượng máy bay công suất nào (5V, 3.3V, 1.8V, 1.2V, -5V, bất cứ điều gì) vì vậy mạch vi phạm chỉ có thể được tham chiếu đến mặt phẳng nguồn nó bắt nguồn từ .. Tham chiếu máy bay 1.8V PHY đến 3.3V sẽ không hoạt động. Trừ khi, bạn biết đấy, bạn cung cấp các mũi khâu lại giữa các mặt phẳng.

Tôi đã thực hiện mạch ghép kênh ADC tốc độ cao đạt được mức nhiễu cơ bản bằng không (~ 0,6 đơn vị ADC) bằng cách tách VCC và VCCA cộng với GND và AGND. Nhưng tôi biết những gì tôi đang làm và tôi đã dành thời gian lập bản đồ các đường tương tự một cách tôn giáo và tạo ra các "đảo" đồng liên quan trên lớp tiếp theo, v.v. Hầu hết thời gian tôi chỉ giữ tất cả các căn cứ cùng nhau và quan tâm đến các vòng lặp hiện tại.

Việc thay đổi các lớp cũng được tính là sự phân chia trong mặt phẳng, do đó bạn nên có một GND phù hợp thông qua (các) gần đó để dòng trở về tốc độ cao sẽ không phải đi thêm đường vòng.

Lưu ý cuối cùng : Dòng trở về theo con đường ít kháng cự nhất. Đối với các tần số thấp, đó là tuyến đường đồng rắn có sẵn ngắn nhất có thể không theo dấu vết tín hiệu / công suất của bạn. Đối với các tần số cao hơn, nó nằm ngay bên cạnh tín hiệu lái xe vì sự phân tách làm tăng trở kháng. Đó là lý do tại sao các mặt phẳng băng qua kết thúc trong nước mắt khi bạn tạo ra sự gián đoạn dẫn đến phản xạ, tần số RF bức xạ, mất tín hiệu toàn vẹn, mưa của ếch và vân vân.

Bạn hoàn toàn có thể tách nguồn và mặt đất cho cả analog và kỹ thuật số. Sử dụng các bộ chuyển đổi DC-DC bị cô lập và cách ly quang cho giao diện kỹ thuật số giữa hai.