Khi nào nên sử dụng mặt phẳng cắt mặt đất?

Tôi đã đọc thêm về các kỹ thuật nối đất thích hợp và sử dụng máy bay mặt đất.

Từ những gì tôi đã đọc, các mặt phẳng mặt đất cung cấp một điện dung lớn với các lớp liền kề, tản nhiệt nhanh hơn và giảm độ tự cảm của mặt đất.

Một lĩnh vực tôi đặc biệt quan tâm là điện dung đi lạc / ký sinh được tạo ra. Theo tôi hiểu, điều này có lợi cho các dấu vết sức mạnh nhưng có khả năng gây bất lợi cho các đường tín hiệu.

Tôi đã đọc một vài gợi ý về nơi đặt máy bay mặt đất vững chắc và tôi tự hỏi liệu đây có phải là những khuyến nghị tốt để làm theo không và điều gì sẽ tạo nên ngoại lệ cho những gợi ý này:

1. Giữ máy bay mặt đất dưới dấu vết điện / máy bay.
2. Di chuyển mặt phẳng khỏi các đường tín hiệu, đặc biệt là các đường tốc độ cao hoặc bất kỳ đường nào dễ bị điện dung đi lạc.
3. Sử dụng vòng bảo vệ mặt đất một cách thích hợp: Bao quanh các đường trở kháng cao với vòng trở kháng thấp.
4. Sử dụng các mặt phẳng mặt đất cục bộ (tương tự cho các đường dây điện) cho các hệ thống / phụ của IC, sau đó buộc tất cả các mặt đất vào mặt phẳng mặt đất toàn cầu tại 1 điểm, tốt nhất là gần cùng một nơi mà các đường dây điện mặt đất và cục bộ gặp nhau.
5. Cố gắng giữ cho mặt phẳng đất đồng nhất / rắn nhất có thể.

Có đề xuất nào khác mà tôi nên xem xét trong khi thiết kế mặt đất / sức mạnh của PCB không? Đây có phải là điển hình để thiết kế bố trí nguồn / mặt đất trước, bố trí tín hiệu trước hay chúng được thực hiện cùng nhau?

Tôi cũng có một vài câu hỏi về # 4 và máy bay địa phương:

1. Tôi sẽ tưởng tượng việc kết nối máy bay mặt đất địa phương với máy bay mặt đất toàn cầu có thể liên quan đến việc sử dụng vias. Tôi đã thấy các đề xuất trong đó nhiều vias nhỏ (tất cả ở cùng một vị trí) được sử dụng. Đây có phải là đề xuất trên một lớn hơn thông qua?
2. Tôi có nên giữ máy bay mặt đất / năng lượng toàn cầu bên dưới máy bay địa phương?

2) Tôi đặc biệt khuyên bạn nên cắt LẠI bất cứ nơi nào gần tín hiệu tốc độ cao. Điện dung đi lạc thực sự không có quá nhiều ảnh hưởng đến thiết bị điện tử kỹ thuật số. Thông thường điện dung đi lạc sẽ giết bạn khi nó hoạt động để tạo bộ lọc ký sinh ở đầu vào của op amp.

Trên thực tế, rất khuyến khích chạy các tín hiệu tốc độ cao của bạn trực tiếp trên mặt phẳng không bị vỡ ; đây được gọi là " microstrip ". Lý do là dòng điện tần số cao đi theo con đường có độ tự cảm nhỏ nhất. Với một mặt phẳng mặt đất, đường dẫn này sẽ là hình ảnh phản chiếu của dấu vết tín hiệu. Điều này giảm thiểu kích thước của vòng lặp, từ đó giảm thiểu EMI bức xạ.

Một ví dụ rất ấn tượng về điều này có thể được nhìn thấy trên trang web của Tiến sĩ Howard Johnson. Xem hình 8 và 9 để biết ví dụ về dòng điện tần số cao đi theo đường dẫn có độ tự cảm nhỏ nhất. (trong trường hợp bạn không biết, Tiến sĩ Johnson là người có thẩm quyền về tính toàn vẹn tín hiệu, tác giả của "Thiết kế kỹ thuật số tốc độ cao: Sách hướng dẫn về ma thuật đen" được ca ngợi nhiều)

Điều quan trọng cần lưu ý là bất kỳ vết cắt nào trong mặt phẳng mặt đất bên dưới một trong những tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao này sẽ làm tăng kích thước của vòng lặp vì dòng trở lại phải đi đường vòng quanh đường cắt của bạn, điều này cũng dẫn đến tăng lượng khí thải. Bạn muốn một mặt phẳng hoàn toàn không bị phá vỡ bên dưới tất cả các tín hiệu kỹ thuật số của bạn. Cũng cần lưu ý rằng mặt phẳng công suất cũng là mặt phẳng tham chiếu giống như mặt phẳng mặt đất và từ góc độ tần số cao, hai mặt phẳng này được kết nối qua tụ điện bỏ qua, vì vậy bạn có thể xem xét dòng trở lại tần số cao để "nhảy" máy bay gần mũ.

3) Nếu bạn có một mặt phẳng tốt, sẽ không có nhiều lý do để sử dụng dấu vết bảo vệ. Ngoại lệ sẽ là op amp tôi đã đề cập trước đó, bởi vì bạn có thể đã cắt mặt phẳng mặt đất bên dưới nó. Nhưng bạn vẫn cần phải lo lắng về điện dung ký sinh của dấu vết bảo vệ. Một lần nữa, Tiến sĩ Johnson ở đây để giúp đỡ với những bức ảnh đẹp .

4.1) Tôi tin rằng nhiều vias nhỏ sẽ có tính chất tự cảm tốt hơn vì chúng song song, so với một lớn thông qua chiếm khoảng cùng một không gian. Thật không may, tôi không thể nhớ những gì tôi đọc đã khiến tôi tin vào điều này. Tôi nghĩ rằng đó là vì độ tự cảm của một thông qua tỷ lệ nghịch với bán kính, nhưng diện tích của thông qua tỷ lệ thuận trực tiếp với bán kính. (nguồn: Tiến sĩ Johnson một lần nữa ) Làm cho bán kính thông qua lớn hơn gấp 2 lần và nó có một nửa độ tự cảm nhưng chiếm diện tích gấp 4 lần.

Liên quan đến việc kết nối các máy bay mặt đất địa phương với máy bay mặt đất toàn cầu, tốt hơn là sử dụng nhiều vias nhỏ vì nó sẽ giúp phân phối dòng điện và tỷ lệ thất bại của PCB được giảm thiểu bên cạnh việc tản nhiệt tốt hơn.

Không có hại trong việc giữ các mặt phẳng mặt đất / năng lượng toàn cầu bên dưới các mặt phẳng cục bộ như thể bạn quan sát các thiết kế pcb đa lớp, đó là những gì được tuân theo.

Hãy cẩn thận để không xác định lỏng lẻo tần số cao.

Hiệu ứng đường truyền, đòi hỏi kỹ thuật microstrip hoặc đường dây, đáng để xem xét khi độ dài của đường truyền là 1/100 hoặc cao hơn tần số quan tâm cao nhất của tín hiệu (Ulaby). Vì vậy, điều này rất hữu ích cho các thiết kế lò vi sóng. Ví dụ, dạng sóng 1GHz trong không khí có chiều dài 30 cm, tuy nhiên trong FR-4, nó có khoảng một nửa (sqrt của epsilon r, độ thấm tương đối, đối với FR-4 là khoảng 4, tùy thuộc vào thành phần). Do đó, một dấu vết dài vài cm chắc chắn sẽ là mối quan tâm của 1GHz.

Đối với 10 MHz, hiệu ứng đường truyền hầu như không đáng chú ý. Sóng hài thứ năm của 10 MHz là 50 MHz và trong FR-4 sẽ có kích thước khoảng 150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3 mét. Vì vậy, trong một chiếc xe buýt dài 30 cm, người ta có thể trải nghiệm sự khởi đầu của biến dạng pha.

Mối quan tâm thực sự là tiếng ồn. Bằng cách đặt một dấu vết có chiều rộng đủ trên mặt phẳng mặt đất, năng lượng của tín hiệu truyền qua chất nền giữa dấu vết và mặt phẳng mặt đất (Poynting). Và EMI từ các nguồn khác không thể vào được.

Các dòng microstrip có trở kháng đặc trưng được xác định bởi chiều rộng vết và độ dày lớp nền và vật liệu; dấu vết mỏng hơn có trở kháng đặc tính cao hơn. Trở kháng của không khí tự do là 377 ohms. Khi Zo của một dấu vết tiếp cận con số này, nó bắt đầu tỏa ra. Ngay cả với một chiếc máy bay mặt đất. Với cùng một mã thông báo, làm dày lớp nền có tác dụng tương tự. Lưu ý rằng khi làm việc ở tần số cao, trở kháng là chìa khóa ... chấm dứt, khớp ... một xe buýt đủ dài sẽ có các phản xạ có thể đo được nếu không được kết thúc chính xác.

Tuy nhiên, với thiết kế dày đặc cần có dấu vết mỏng. Vì vậy, thỏa hiệp một cái gì đó.

Để giữ cho trở kháng dòng microstrip không thay đổi bởi một mặt phẳng mặt đất, khe phải được đặt cách xa ít nhất hai chiều rộng microstrip (nếu microstrip được chiếu thẳng đứng với mặt phẳng mặt đất).

Dưới đây là một số hình ảnh từ bộ giải trường 3D cho thấy sự phân bố điện trường bên trong micrsotrip và mật độ dòng điện trong mặt phẳng mặt đất. Kết luận gần như không có trường hoặc hai chiều rộng từ micrsotrip. Vì vậy, nghỉ máy bay mặt đất được phép ở đây.

Hình 1: Tiết diện điện trường vuông góc với đường kẻ. Chế độ xem 2D. Hình 2: Tiết diện điện trường vuông góc với đường kẻ. Chế độ xem 3D. Hình 3: Mật độ dòng điện trong mặt phẳng mặt đất. Khung nhìn 2D Hình 4: Mật độ dòng điện trong mặt phẳng mặt đất. Chế độ xem 3D