Warum genau wird davon abgeraten, die Grundebene zu klaffen?

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Von Zeit zu Zeit höre (und lese) ich, dass es nicht gut ist, separate Gnd-Ebenen für digitale und analoge Schaltungsteile herzustellen. In dieser Faustregel ist alles zusammengefasst: "Teilen Sie die Gnd-Ebene nicht, machen Sie keine Lücken." Normalerweise kommt dies ohne klare Erklärung.

Am nächsten an einer Erklärung ist dieser Link: http://www.hottconsultants.com/techtips/tips-slots.html . Der Autor weist darauf hin, dass sich die Rückströme um die Lücke biegen, so dass die Oberflächen der Ströme groß werden (die Grenzen dieser Oberfläche werden durch "abfliegenden" und "zurückkehrenden" Strom definiert):

Die Rückströme der verschiedenen Signale werden an den Ecken der Lücke zusammengedrückt, was zu einem Übersprechen führt. Die größere Oberfläche der Stromschleifen emittiert und nimmt EMV auf.

So weit, ist es gut. Ich verstehe, dass keine Signale über eine solche Lücke geleitet werden sollten. Unter der Annahme, dass Sie diese Regel beachten, wäre es immer noch schlecht, Lücken in der Gnd-Ebene zu schließen (z. B. eine Aufteilung zwischen analogen und digitalen Schaltungsteilen vorzunehmen)?

— K. Mulier
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Dies ist ein häufig diskutiertes Thema, bei dem bestimmte Personen sich nicht darüber einig sind, was Sie tun und was nicht (Gründe getrennt halten oder nicht trennen usw.). Beachten Sie, dass dies auch davon abhängt, was Sie tun möchten. Bei einer stabilen Spannungsreferenz möchten Sie beispielsweise eine Art Sternerdung, sodass keine Rückströme von anderen Quellen auftreten und Ihre Werte verschieben können. Ein paar UV können ausreichen, wenn Sie mit 10 ppm bei einer Genauigkeit von wenigen Volt arbeiten.

— Joren Vaes

Vielen Dank @JorenVaes. Wie erreichen Sie das praktisch, wenn Sie "irgendeine Form der Sternerdung" erwähnen? Ich meine, wie kann man mit festen Grundebenen einen Sternenboden schaffen?

— K. Mulier

Ich denke, wenn ich keine feste Grundplatte benutze. Ich bin kein Experte in diesem Bereich und beschränke mich normalerweise auf analoge Leiterplatten, die keine festen Masseebenen verwenden.

— Joren Vaes

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Ist Ihnen klar, dass Sie eine planare Schlitzantenne gezeichnet haben ? Beide Antennen strahlen aus, was Sie vielleicht nicht wollen, und empfangen Störungen, die Sie vielleicht nicht wollen. Ein weiterer Link .

— Eric Towers

Sehr interessierte Bemerkung @EricTowers, das habe ich eigentlich nicht

— gemerkt

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Hochfrequente Rückströme wollen aufgrund der Induktivität den nach außen gerichteten Strömen folgen.

Wenn Sie die Rückströme zwingen, einen anderen Weg einzuschlagen, passieren einige schlechte Dinge.

Sie erstellen eine Schleife, die magnetische Interferenzen empfangen und senden kann.
Sie führen eine zusätzliche Induktivität in den Signalpfad ein, die die Signalintegrität verringern kann.

Beachten Sie, dass digitale Signale mit schnellen Flanken auch bei niedriger Schaltrate starke Hochfrequenzspitzen erzeugen können.

Beachten Sie auch, dass der nach außen gerichtete Pfad möglicherweise nicht immer nur Spuren umfasst, sondern sich möglicherweise innerhalb einer Komponente befindet. Selbst wenn eine Komponente separate analoge und digitale Stromversorgungs- und Erdungsstifte hat, gibt es wahrscheinlich einige Signale, die die Grenze innerhalb des Chips überschreiten.

OTOH bei niederfrequenten Strömen nehmen Wege, die primär durch den Widerstand bestimmt werden. Das Aufteilen von Ebenen kann daher eine nützliche Technik sein, um die Pfadrücklaufströme zu beeinflussen und eine gemeinsame Impedanz zu vermeiden.

Wenn Sie genau eine Stelle haben, an der Signale die Grenze zwischen gemischten Signalen überschreiten, ist die Aufteilung der Ebene sehr sinnvoll. Dadurch werden analoge Rückströme auf der analogen Seite und digitale Rückströme auf der digitalen Seite gezwungen.

Wenn Sie mehrere Stellen haben, an denen Signale die gemischte Signalgrenze überschreiten müssen (z. B. mehrere ADCs, mehrere analoge Switch-Chips usw.), werden die Vorteile der Aufteilung viel fragwürdiger. Jeder gemischte Signalchip benötigt eine Verbindung zwischen den beiden Ebenen, aber wenn Sie mehrere Verbindungen zwischen den Ebenen herstellen, verlieren Sie viele Vorteile, wenn Sie sie überhaupt aufteilen.

— Peter Green
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Vielen Dank. Angenommen, ich habe nur einen ADC, der die Lücke überschreitet. Wo genau soll ich die AGND- und DGND-Flugzeuge anschließen? Auf dieser Seite ( electronic.stackexchange.com/questions/306862/… ) habe ich gelesen: 'Nennen wir Ihre beiden Gründe AGND und PGND (analog und power). Einige sagen, sie sollen sich trennen 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 schlechteste Ort ist. ' Aber ich bin mir nicht sicher, ob diese Aussage richtig ist.

— K. Mulier

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Die Argumentation ist dem Trend weg von getrennten Gründen für digital und analog sehr ähnlich. Es geht nur um Rückstrom

Es hat tatsächlich einen Trend weg von geteilten Grundebenen gegeben und sich stattdessen auf die Platzierungstrennung UND die Berücksichtigung des Rückstrompfades konzentriert.

Teilen Sie die Grundebene nicht, verwenden Sie eine durchgezogene Ebene unter den analogen und digitalen Abschnitten der Platine
Verwenden Sie großflächige Masseebenen für Stromrückleitungspfade mit niedriger Impedanz
Halten Sie über 75% der Plattenfläche für die Grundplatte
Trennen Sie analoge und digitale Leistungsebenen
Verwenden Sie feste Grundebenen neben Antriebsebenen
Suchen Sie alle analogen Komponenten und Leitungen über der analogen Leistungsebene und alle digitalen Komponenten und Leitungen über der digitalen Leistungsebene
Verlegen Sie keine Spuren über die Teilung in den Leistungsebenen, es sei denn, Spuren, die über die Teilung der Leistungsebene gehen müssen, müssen sich auf Schichten neben der festen Grundebene befinden
Überlegen Sie, wo und wie die Erdrückströme tatsächlich fließen
Partitionieren Sie Ihre Platine mit separaten analogen und digitalen Abschnitten
Komponenten richtig platzieren

Checkliste für das Mixed-Signal-Design

Partitionieren Sie Ihre Platine mit separaten analogen und digitalen Abschnitten.
Komponenten richtig platzieren.
Überspannen Sie die Partition mit den A / D-Wandlern.
Teilen Sie die Grundebene nicht. Verwenden Sie eine durchgezogene Ebene unter den analogen und digitalen Abschnitten der Platine.
Leiten Sie digitale Signale nur im digitalen Bereich der Karte weiter. Dies gilt für alle Schichten.
Verlegen Sie analoge Signale nur im analogen Bereich der Karte. Dies gilt für alle Schichten.
Trennen Sie analoge und digitale Leistungsebenen.
Verlegen Sie keine Spuren über den Spalt in den Antriebsebenen.
Spuren, die über die Teilung der Leistungsebene gehen müssen, müssen sich auf Schichten neben der festen Grundebene befinden.
Überlegen Sie, wo und wie die Erdrückströme tatsächlich fließen.
Verwenden Sie Routing-Disziplin.

Denken Sie daran, dass der Schlüssel für ein erfolgreiches PCB-Layout die Partitionierung und die Verwendung von Routing-Disziplin ist, nicht die Isolierung von Grundebenen. Es ist fast immer besser, nur eine einzige Bezugsebene (Masse) für Ihr System zu haben.

(über die folgenden Links zur Archivierung eingefügt)

www.e2v.com/content/uploads/2014/09/Board-Layout.pdf

http://www.hottconsultants.com/pdf_files/june2001pcd_mixedsignal.pdf

— JonRB
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Vielen Dank. Sehr interessante Antwort. Ihr Rat bezüglich der Gnd- und Power-Ebenen lautet also: Erstellen Sie eine feste Gnd-Ebene für die gesamte Platine und zwei separate Power-Ebenen - eine für den digitalen und eine für den analogen Teil. Richtig?

— K. Mulier

ja schon. Der Schlüssel ist, über Rückströme für alles nachzudenken, wenn es um Layout geht

— JonRB

Was ist mit dem Routing eines Trace für jeden einzelnen Rückstrom? Ich versuche das gerade auf meinem Design zu machen - eine Art Test ;-)

— K.Mulier

Sie beeinträchtigen die Bodenkontinuität. Manchmal ist dies erforderlich (ich suche Werbung für die Phasenstrommessung), aber dies ist die Ausnahme, nicht die Norm. Denken Sie an die Rückstromstärke

— JonRB

Was meinen Sie mit "Sie beeinträchtigen die Bodenkontinuität" und "erinnern Sie sich an die Feldstärke des Rückstroms"?

— K. Mulier

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Die oberste Priorität ist es, Dinge an der richtigen Stelle auf Ihrem Board zu platzieren.

Wenn Sie beispielsweise links den Stromeingangsanschluss, rechts den Motorcontroller und seine Ausgangsanschlüsse sowie die empfindlichen analogen Bits in der Mitte haben, haben Sie einen schlechten Start.

Platzieren Sie den Stromanschluss besser direkt neben den Hochstromausgängen, damit hohe Ströme auf natürliche Weise fließen und Ihre Arbeit erleichtern.

Die beste IMO ist auch, geteilte Ebenen (AGND, DGND) zu verwenden, dann alle Komponenten auf der entsprechenden Ebene zu platzieren und am Ende ... die Teilung zu entfernen und sie in eine feste Grundebene umzuwandeln. Dies zwingt Sie zu einer guten Platzierung.

Im Übrigen ist diese Frage mehr oder weniger dieselbe, ich empfehle, die Antworten zu lesen.

— peufeu
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Vielen Dank. Aber warum genau würden Sie die Trennung am Ende entfernen?

— K. Mulier

Wenn Sie sich teilen, fließt der gesamte Strom, der von einer Masse zur anderen fließt, an der Stelle, an der sie angeschlossen sind. Dies ist normalerweise der ADC, dh der schlechteste Ort, an dem dies möglich ist!

— Peufeu

Stellen Sie sich den ADC-Chip folgendermaßen vor: Analoger Teil sind einige Eingänge, digitaler Teil ist der SPI-Bus. Die Rückströme vom SPI-Bus fließen zurück zum ADC-Chip. Sie könnten also von DGND zu AGND wechseln, aber selbst das sollte nicht passieren, wenn das Layout gut ist. Welche anderen Ströme würden von DGND in AGND übergehen? (Ich kritisiere Ihre Antwort nicht. Ich stelle diese Frage

— wirklich,

Jeder Gleichtaktstrom, der von den an Ihre Platine angeschlossenen Kabeln kommt, oder ESD-Schlag, kapazitive Kopplung zwischen der Platine und nahegelegenem

— Metall

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Wenn Sie Flugzeuge wie AVCC und DVCC nicht anschließen, schließen Sie sie nicht an, Sie würden einen Filter wie Ferritperlen dazwischen setzen oder sogar separate Regler verwenden, viele Optionen. DVCC ist verrauscht und das Rauschen sollte sich nicht auf analoge Netzteile ausbreiten.

— Peufeu

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Dies ist ein schwieriges Thema, oft mit widersprüchlichen Informationen. Ein häufiges Beispiel hierfür ist das Auslegen des Kupfers für Analog-Digital-Wandler. In den Datenblättern wird häufig angegeben, dass der analoge Erdungsrücklauf vom digitalen Teil getrennt bleibt und nur an einem Punkt miteinander verbunden wird. In den Datenblättern wird häufig angegeben, dass die angegebene Genauigkeit nur erreicht werden kann, wenn der Chip auf diese Weise geerdet wird.

Wenn die gesamte Karte ein AtoD-Chip wäre, wäre dies einfach. Wenn Sie jedoch mit dem Mischen von DtoAs, Operationsverstärkern, Komparatoren und digitalen Schaltkreisen beginnen, wird dies schnell unpraktisch.

Ich werde nicht wiederholen, was andere über gute Layoutpraktiken gesagt haben. Ähnlich wie bei parallelen Widerständen fließt Strom auf dem Weg des geringsten Widerstands. Bei hohen Frequenzen kann die Induktivität von Platinen zu einer signifikanten Reaktanz beitragen. Der Weg der geringsten Reaktanz für den Rückstrom würde direkt unter der Signalspur in der Grundebene liegen.

Wenn es Lücken in der Masseebene gibt, muss der Rückstrom einen längeren Weg zurück zur Quelle nehmen, was zu einer größeren Schleife und einer höheren Induktivität führt.

Für detailliertere Informationen zu diesem Thema würde ich Electromagnetic Compatibility Engineering von Henry W. Ott empfehlen. Es ist die Bibel zu EMC.

— user125718
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