Sollte ich die Grundebene wirklich in analoge und digitale Teile unterteilen?

Ich bin dabei, meine erste Leiterplatte im Rahmen meines Abschlussprojekts zu entwerfen. Natürlich versuche ich als ersten Schritt, so viel wie möglich zu lernen. Ein Teil der Forschung fand ich diesen 3-teiligen Artikel , der darauf hindeutet, dass es nicht notwendig und in einigen Fällen sogar schädlich ist, die Grundebene in einen analogen und einen digitalen Teil aufzuteilen, was im Widerspruch zu dem steht, was ich von dem Prof gelernt hatte. Ich habe auch alle Themen auf dieser Seite gelesen, die sich mit den Grundebenen befassen. Obwohl die Mehrheit dem Artikel zustimmt, gibt es immer noch einige Meinungen, die eine geteilte Grundebene befürworten. z.B

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

Als Anfänger in der Leiterplattenentwicklung finde ich es verwirrend und schwierig, zu entscheiden, wer Recht hat und welchen Ansatz man wählt. Soll ich die Grundebene in analoge und digitale Teile unterteilen? Ich meine physikalische Teilung, entweder mit einem PCB-Schnitt oder mit getrennten Polygonen für DGND und AGND (entweder nicht verbunden oder in einem Punkt verbunden)

Vielleicht erzähle ich Ihnen davon, damit Sie eine Empfehlung aussprechen können, die auf meine zukünftige Leiterplatte zugeschnitten ist.

Die Platine wird in der kostenlosen Version von Eagle => 2 Lagen ausgeführt

Die Platine dient zum Testen und präzisen Messen (Strom und Spannung) von Lithiumbatterien. Die Karte soll von Raspberry Pi über eine digitale Schnittstelle (GPIO / SPI (40 kHz)) gesteuert werden. An Bord sind 3 Datenkonverter (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) und Anschlüsse für ein vorgefertigtes RTC-Modul auf der digitalen Seite. Die analoge Stromversorgung erfolgt über ein extern geregeltes Netzteil über den integrierten Spannungsregler LT3042 (5,49 V). Zusätzlich gibt es den LT6655B 5 V Spannungsreferenz. Der analoge Teil ist im Wesentlichen ein Gleichstromkreis, der einzige echte HF ist der interne 16-MHz-Haupttakt des ADC.

Digitale 3,3 V (hauptsächlich für die Stromversorgung der digitalen Schnittstellen) werden von Raspberry PI bezogen. Somit wird es 2 Masseverbindungen geben: externe Stromversorgung und digitale Schnittstelle von Raspberry Pi.

In diesem Zusammenhang noch eine Frage: Wie stelle ich gemäß Abbildung 3 sicher, dass die Rückströme von den digitalen Schnittstellen zum richtigen Erdungsanschluss fließen (denken Sie daran, dass ich zwei davon habe)?

Zusätzliche Sorge: Kann der Stromverteilungsstromkreis empfindliche Messungen stören? Ich wollte sie trennen, indem ich die Energie auf die unterste Schicht leitete, aber das ist keine gute Idee mehr im Fall einer monolithischen Grundebene

Und während ich immer noch frage: Unter der Annahme einer mehr oder weniger monolithischen Masseebene auf der Unterseite und einer Signal- / Komponentenschicht auf der Oberseite, wie kann man die negative Seite der Überbrückungskondensatoren am besten mit der Masseebene verbinden?

Man muss in Form einer geteilten Impedanz denken (nicht Widerstand, wirklich Impedanz).

Betrachten Sie die Teile der Schaltung, die GND als 0-V-Referenz für empfindliche analoge Zwecke verwenden. Offensichtlich möchten Sie, dass jede dieser "0V-Referenzen" auf dem gleichen "0V" -Potential liegt. Strom, der durch die GND-Ebene fließt, führt jedoch zu einer zusätzlichen Fehlerspannung über den "0V" jedes Chips.

Zeichnen Sie nun einen Schaltplan Ihrer GND mit den durch sie fließenden Strömen.

Wenn Sie die Ebene nicht aufteilen, aber hohe Ströme durch sie fließen, weil Sie den Stromeingangsanschluss auf der linken Seite, den Stromeingangsanschluss auf der rechten Seite und die überempfindlichen analogen Bits in der Mitte platzieren, dann Sie Möglicherweise liegt ein Problem darin, dass ein hoher Strom in GND fließt und einen Spannungsgradienten erzeugt.

Berücksichtigen Sie je nach Frequenz die Impedanz (dh die Induktivität, nicht nur den Widerstand).

Hierfür gibt es verschiedene Lösungen.

• Sie könnten Ihre Stromanschlüsse an vernünftigeren Orten (dh Stromeingang neben Stromausgang) platzieren, damit die hohen Ströme nicht in Ihrer GND-Ebene wandern. Dies gilt für alle Stromschleifen, die große, rauschbehaftete oder hohe di / dt-Ströme führen, wie die internen Schleifen eines DCDC oder die Schleifen zwischen ihm und seiner Last (z. B. einer CPU) oder sogar den Erdungspfad zwischen einer Entkopplungskappe und der Chip entkoppelt sich.

Stellen Sie sicher, dass Sie wissen, wo diese Schleifen sind! Ordnen Sie sie nach Problemen (ungefähr "area * di / dt" für Wechselstrom oder "area * I" für Gleichstrom). Platzierung ist unerlässlich. Eine gute Platzierung mit engen Stromschleifen macht das Layout viel einfacher.

• Sie können Differenzverstärker und ADCs verwenden, die Gleichtaktstörungen ignorieren.

Dies ist obligatorisch, wenn die zu erfassende Spannung an einem High-Side-Stromshunt liegt. Angenommen, Sie verwenden zum Beispiel einen Current-Sense-Verstärker. Vergessen Sie nicht, dass die Spannung am Pin "Ausgangsreferenz" (häufig mit "GND" falsch beschriftet) direkt zum Ausgang hinzugefügt wird. Stecken Sie den Leseverstärker also nicht mit dem Pin "GND" in der Mitte des Motors zwischen zwei MOSFETs aktueller Rückweg "Pfad ...

• Sie könnten das Flugzeug auch teilen, aber dann müssen Sie entscheiden, wo Sie es teilen wollen. Und (hier wird es schlimm), wenn Sie Ihre beiden Erdungen bei Gleichstrom (oder bei hohen Frequenzen, wenn Sie Isolatoren verwenden) miteinander verbinden ...

Nennen wir Ihre beiden Gründe AGND und PGND (Analog und Power). Einige sagen, sie sollten sich teilen und AGND / PGND oder AGND / DGND unter dem ADC beitreten. Dies bedeutet, dass jeder Strom, der zwischen AGND und PGND fließt, jetzt in der Erdungsverbindung unter dem ADC fließen muss, was der schlechtestmögliche Ort ist.

Eine sinnvolle Lösung ist der "Hidden Split". Platzierung ist unerlässlich. Zum Beispiel hast du das Power / Noisy-Zeug rechts und das Sensitive links. Sie platzieren Ihre Entkopplungskappen so, dass die durch GND fließenden Versorgungsstromschleifen kurz und gut platziert sind. Da Ihre Platine zwei genau definierte Zonen hat, können Sie die Breite der sie verbindenden Masseebene verringern, um sicherzustellen, dass keine hohen Ströme in der Masse der empfindlichen Bits fließen.

Es ist sehr visuell und schwer zu erklären, und die richtige Platzierung Ihrer Anschlüsse ist von wesentlicher Bedeutung.

Diese Tutorials sind gut: https://learnemc.com/emc-tutorials

Das bloße Einführen von SLITS in die GND-Ebene kann ausreichen, um den Müll von Digital-, Strom-, Relais- und Motorgeräten weitgehend von den empfindlichen analogen Bereichen fernzuhalten. [BEARBEITEN 9. Juni] Es wurde gezeigt, dass ein enger Bereich eine Dämpfung von 12 dB / Quadrat erreicht. EDIT Juni 2019 Denken Sie daran, auch das Power Plane zu schneiden (vorgeschlagen von Barleyman)]

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Was können wir über die Spaltplatzierung im Vergleich zum In- und Out-Point für Intrusive Current vorhersagen?

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Was ist zu erwarten, wenn der Spalt in die Strömung eindringt?

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Wir hatten ungefähr 40 Mikrovolt / Quadrat entlang der Unterkante der Leiterplatte, unter der Annahme von 0,0005 Ohm / Quadrat. Wir können den I * R-Spannungsabfall, der durch EINE AMPERE oben rechts auf der Platine verursacht wird, am unteren Rand der Platine im analogen Bereich als einfach abschätzen

Slit_Atten = Länge des Schlitzes / der gesamten Schleifenlänge innerhalb des sensitiven Bereichs

Spannungsabfall ganz unten (pro Quadrat) ist

Spannung über Schlitz * Slit_Atten

Mathe: Schlitz ist 4 Quadrate, also 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten ist 4 Quadrate / 20 Quadrate (gesamte Schleifenperipherie) = 20%.

Der per_square I * R-Abfall beträgt 160 uV * 20% = 32 uV.

Dies zeigt den Wert der Verwendung nur enger Bereiche zwischen Digital / Rauschen und Analog.

Hier ist ein anderer Weg, um zu schneiden.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Spannung pro Quadrat, bei der OpAmps leise GND = 32 µV pro Quadrat benötigen. Nicht sehr leise. Was ist zu tun?

1) schneiden Sie den Schlitz weiter in die Ebenen; jetzt bei 80%, gehe zu 95% und erhalte wahrscheinlich eine exponentielle Verbesserung der Stille; starte die SPICE sim und schau wie

2) Machen Sie den Schlitz ----- nicht schmal ---- aber tief, so

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Was können wir über die Dämpfung von "L" -Schlitzen vorhersagen? Es stellt sich heraus, dass wir eine Dämpfung von 12 dB pro Quadrat des verengten Bereichs vorhersagen können. Wir zoomen hinein und sehen das

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Der eigentliche Schlüssel ist IMMER die Platzierung. Tun Sie dies auf intelligente Weise, und jedes Setup kann für so etwas funktionieren. Verstehen Sie es zu schlecht und das Board wird nicht nur sehr schwer zu routen sein, sondern es wird auch schwierig sein, die gewünschte Präzision zu erreichen.

Feste Ebenen herrschen vor, wenn schnelle Dinge vor sich gehen, wenn Sie Kantenraten in der Region von wenigen ns haben (Taktrate spielt keine Rolle, Kantenraten tun es), wenn Sie eine feste Ebene unter mindestens dieser Region wollen, ich mache im Allgemeinen eine feste Ebene im ersten prototyp jedes mal rumspielen und später dran herumspielen, wenn es mir nicht das bringt, was ich will (ich brauche es im allgemeinen nicht zu ändern).

Jetzt ist in Ihrem Fall die Gleichstromgenauigkeit von Bedeutung, und im Allgemeinen lassen sich solche Dinge am besten mit Differentialabtastung durchführen (Entscheiden Sie, an welchen beiden Punkten Sie die Spannung messen möchten, und messen Sie diese Spannung, nicht an einem Punkt relativ zu einer Ebene).

Nur weil Sie eine Ebene haben, bedeutet dies nicht, dass Sie an beliebigen Punkten eine Verbindung zu ihr herstellen müssen. Sie können beispielsweise entscheiden, dass das "geerdete" Ende eines Widerstands in einem Differenzverstärker an derselben Stelle wie der Eingang der vorherigen Stufen in die Ebene zurückgeführt wird Teilerwiderstand, um sicherzustellen, dass sie die gleiche Spannung sehen, sind hierarchische Gründe eine gute Sache, aber differenzielle Messregeln für dieses Zeug.

5.49 scheint mir optimistisch, abs max ist nicht irgendwo, wo du jemals sein möchtest.

Entkoppler gehen in der Regel direkt ins Flugzeug.

Wenn Sie sich für das Teilen von Ebenen entscheiden, müssen Sie sicherstellen, dass unter dem Bereich, in dem die Steuerlinien zwischen den beiden verlaufen, eine durchgehende Verbindung besteht. Sie führen niemals eine Spur über eine Teilung in der Ebene.

Vergessen Sie in Anbetracht Ihrer niedrigen Geschwindigkeiten nicht, dass Sie überabtasten können und das Dezimieren Ihre effektive Wortlänge verlängert.

Einige Anmerkungen dazu. Wie andere bereits betont haben, sind aktuelle Loops nicht Ihre Freunde. Sie sollten sich Ihrer Hochleistungs- / Hochgeschwindigkeitsschaltungen bewusst sein und wissen, wo diese mit Strom versorgt werden. Alles, was sich zwischen diesen beiden Punkten befindet, befindet sich direkt im Feuerbereich. Stellen Sie Ihre 16-Bit-ADCs nicht zwischen Hochsetzsteller und PWM-gesteuerten Hochleistungs-LEDs.

Risse oder Gräben in Bodenebenen können vorteilhaft sein, aber diese werden schnell beteiligt. Das Wichtigste, an das Sie sich erinnern sollten, ist, NIEMALS EINE SCHNELL- / EMPFINDLICHE SIGNALLEITUNG IM FLUGZEUG ZU ÜBERTREFFEN . Ihre Signalleitungen benötigen einen Rückstrompfad direkt daneben. Wenn Sie also ein Hufeisen um einen ADC legen, müssen Sie auch alle Signale um diesen Wassergraben leiten. Wenn Sie unbedingt einen Split überqueren müssen, können Sie einen lokalen Kondensator verwenden, um separate GND-Ebenen zu verbinden, aber dann vereiteln Sie an erster Stelle den Zweck des Burggrabens. Vorausgesetzt, Sie haben ein mehrschichtiges Board, aber es wäre viel weniger schmerzhaft, es nicht zu tun. Tauschen Sie die Ebenen vor dem Teilen in eine andere Ebene mit einer einheitlichen Referenzebene. NBDies gilt nicht für Gleichstromsignale oder niederfrequente Signale / Lasten. Sie sind glücklich genug, dem Pfad des geringsten Widerstands um den Graben zu folgen. Vergessen Sie nicht, dass Sie Teilungen in GND-Ebenen mit Teilungen in Leistungsebenen abgleichen müssen!

Um dies zu komplizieren, gilt dies für die Referenzebene, dh die Masseebene neben der Signalschicht. Wenn Sie 8 Schichten oder mehr haben, spielt es keine Rolle, was sich auf der L2-Ebene befindet, wenn sich Ihre empfindliche Schaltung auf der L8 befindet. Sie können die Energieebene auch als Referenz verwenden, aber heutzutage haben Sie häufig eine beliebige Anzahl von Energieebenen (5 V, 3,3 V, 1,8 V, 1,2 V, -5 V, was auch immer), sodass die störende Schaltung nur auf die Energieebene bezogen werden kann es stammt von ... Das Referenzieren einer 1,8-V-PHY-zu-3,3-V-Ebene funktioniert nicht. Es sei denn, Sie wissen, Sie stellen diese Heftkappen wieder zwischen Ebenen.

Ich habe eine Hochgeschwindigkeits-ADC-Multiplexschaltung ausgeführt, die durch Aufteilen von VCC und VCCA plus GND und AGND einen Rauschpegel von im Wesentlichen Null (~ 0,6 ADC-Einheit) erreichte. Aber ich weiß, was ich tue und verbrachte Zeit damit, analoge Leitungen religiös abzubilden und "Inseln" aus verwandtem Kupfer auf der nächsten Schicht zu erzeugen und so weiter. Die meiste Zeit halte ich einfach alle Gründe zusammen und beachte die aktuellen Schleifen.

Das Wechseln von Schichten zählt auch als Teilung in der Ebene, sodass Sie eine passende GND-Durchkontaktierung in der Nähe haben sollten, damit der Hochgeschwindigkeits-Rückstrom keine zusätzlichen Umwege machen muss.

Letzte Anmerkung : Der Rückstrom folgt dem Weg des geringsten Widerstands. Bei niedrigen Frequenzen ist dies die kürzeste verfügbare Route aus massivem Kupfer, die möglicherweise nicht Ihrer Signal- / Stromspur folgt. Bei höheren Frequenzen wird die Impedanz direkt neben dem Treibersignal erhöht, da die Trennung die Impedanz erhöht. Das ist der Grund, warum das Überqueren von Flugzeugen zu Tränen führt, da Sie eine Diskontinuität erzeugen, die zu Reflexionen, abgestrahlten HF-Frequenzen, Signalintegritätsverlust, Froschregen usw. führt.

Sie können die Stromversorgung und die Erdung für analoge und digitale Geräte vollständig trennen. Verwenden Sie isolierte DC-DC-Wandler und Opto-Isolation für die digitale Schnittstelle zwischen beiden.