Wann werden Groundplane-Ausschnitte verwendet?

Ich habe mehr über richtige Erdungstechniken und die Verwendung von Erdungsebenen gelesen.

Nach dem, was ich gelesen habe, bieten Masseebenen eine große Kapazität mit angrenzenden Schichten, eine schnellere Wärmeableitung und eine Verringerung der Masseinduktivität.

Der eine Bereich, der mich besonders interessiert, ist die erzeugte Streu- / parasitäre Kapazität. Soweit ich weiß, ist dies vorteilhaft für Stromspuren, kann jedoch die Signalleitungen beeinträchtigen.

Ich habe ein paar Vorschläge gelesen, wo feste Grundflächen platziert werden sollen, und ich habe mich gefragt, ob dies gute Empfehlungen sind, die befolgt werden sollten, und was eine Ausnahme von diesen Vorschlägen darstellen würde:

1. Halten Sie die Grundplatte unter Stromspuren / -ebenen.
2. Entfernen Sie die Massefläche von Signalleitungen, insbesondere Hochgeschwindigkeitsleitungen oder Leitungen, die für Streukapazitäten anfällig sind.
3. Verwenden Sie geeignete Erdungsringe: Umgeben Sie Leitungen mit hoher Impedanz mit einem Ring mit niedriger Impedanz.
4. Verwenden Sie für ICs / Subsysteme lokale Erdungsebenen (dasselbe gilt für Stromleitungen) und binden Sie dann alle Erdungen an einem Punkt an die globale Erdungsebene, vorzugsweise in der Nähe desselben Ortes, an dem sich die lokale Erdung und die lokalen Stromleitungen treffen.
5. Versuchen Sie, die Grundplatte so gleichmäßig / fest wie möglich zu halten.

Gibt es andere Vorschläge, die ich bei der Gestaltung der Masse / Leistung einer Leiterplatte berücksichtigen sollte? Ist es typisch, zuerst das Stromversorgungs- / Erdungslayout und zuerst das Signallayout zu entwerfen oder werden diese gemeinsam erstellt?

Ich habe auch ein paar Fragen zu # 4 und lokalen Flugzeugen:

1. Ich könnte mir vorstellen, dass beim Anschließen lokaler Masseebenen an die globale Masseebene Durchkontaktierungen verwendet werden. Ich habe Vorschläge gesehen, bei denen mehrere kleine Durchkontaktierungen (alle an ungefähr derselben Stelle) verwendet werden. Wird dies über ein einzelnes größeres Via empfohlen?
2. Sollte ich globale Boden- / Energieflugzeuge unter lokalen Flugzeugen halten?

2) Ich empfehle dringend, GEGEN das Schneiden von Boden in der Nähe von Hochgeschwindigkeitssignalen. Streukapazität hat auf die digitale Elektronik wirklich keinen allzu großen Einfluss. In der Regel tötet Sie die Streukapazität, wenn am Eingang eines Operationsverstärkers ein parasitärer Filter erzeugt wird.

Tatsächlich wird dringend empfohlen, Ihre Hochgeschwindigkeitssignale direkt über einer nicht unterbrochenen Grundebene zu führen. Dies wird als " Mikrostreifen " bezeichnet. Der Grund ist, dass hochfrequenter Strom dem Weg der geringsten Induktivität folgt. Bei einer Grundebene ist dieser Pfad ein Spiegelbild der Signalspur. Dies minimiert die Größe der Schleife, was wiederum die abgestrahlte EMI minimiert.

Ein sehr eindrucksvolles Beispiel dafür ist auf der Website von Dr. Howard Johnson zu sehen. In den Abbildungen 8 und 9 ist ein Beispiel für einen Hochfrequenzstrom dargestellt, der den Weg der geringsten Induktivität nimmt. (Falls Sie nicht wussten, dass Dr. Johnson eine Autorität für Signalintegrität ist, Autor des vielgelobten "High-Speed ​​Digital Design: Ein Handbuch der schwarzen Magie")

Es ist wichtig zu beachten, dass alle Schnitte in der Grundebene unter einem dieser digitalen Hochgeschwindigkeitssignale die Größe der Schleife erhöhen, da der Rückstrom einen Umweg um Ihren Ausschnitt machen muss, was ebenfalls zu erhöhten Emissionen führt. Sie möchten ein völlig ungebrochenes Flugzeug unter all Ihren digitalen Signalen. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Leistungsebene ebenso wie die Masseebene eine Referenzebene ist. Aus Hochfrequenzsicht sind diese beiden Ebenen über Überbrückungskondensatoren verbunden, sodass Sie einen hochfrequenten Rückstrom als "Sprung" betrachten können. Flugzeuge in der Nähe der Kappen.

3) Wenn Sie eine gute Grundfläche haben, gibt es so gut wie keinen Grund, eine Guard-Spur zu verwenden. Die Ausnahme wäre der zuvor erwähnte Operationsverstärker, da Sie möglicherweise die Masseebene darunter geschnitten haben. Sie müssen sich jedoch noch um die parasitäre Kapazität eines Guard-Trace sorgen. Wieder ist Dr. Johnson hier, um mit schönen Bildern zu helfen .

4.1) Ich glaube, dass mehrere kleine Durchkontaktierungen bessere Induktivitätseigenschaften haben, da sie parallel sind, während eine große Durchkontaktierung ungefähr die gleiche Menge an Raum einnimmt. Leider kann ich mich nicht erinnern, was ich gelesen habe, was mich dazu gebracht hat, das zu glauben. Ich denke, das liegt daran, dass die Induktivität eines Via linear umgekehrt proportional zum Radius ist, aber die Fläche des Via quadratisch direkt proportional zum Radius ist. (Quelle: Dr. Johnson ) Vergrößern Sie den Durchkontaktierungsradius um das Zweifache. Er hat die Hälfte der Induktivität, nimmt jedoch viermal so viel Fläche ein.

Bezüglich des Anschlusses lokaler Erdungsebenen an globale Erdungsebenen ist es besser, mehrere kleine Durchkontaktierungen zu verwenden, da dies zur Verteilung des Stroms beiträgt und außerdem die Ausfallrate von PCB minimiert und eine bessere Wärmeableitung gewährleistet.

Es schadet nicht, globale Boden- / Energieebenen unter lokalen Ebenen zu halten, als ob Sie mehrschichtige Leiterplattenentwürfe beobachten, es ist das, was befolgt wird.

Achten Sie darauf, dass Sie die Hochfrequenz nicht lose definieren.

Übertragungsleitungseffekte, die Mikrostreifen- oder Streifenleitungstechniken erfordern, sollten in Betracht gezogen werden, wenn die Länge der Leitung 1/100 oder mehr der höchsten besorgniserregenden Frequenz des Signals (Ulaby) beträgt. Dies ist also nützlich für Mikrowellenentwürfe. Beispielsweise hat eine 1-GHz-Wellenform in Luft eine Länge von 30 cm, in FR-4 jedoch etwa die Hälfte (die relative Permittivität für FR-4 beträgt je nach Zusammensetzung ungefähr 4 Quadratmeter). Daher ist eine Spur, die einige Zentimeter lang ist, für 1 GHz auf jeden Fall von Belang.

Bei 10 MHz sind Übertragungsleitungseffekte kaum zu bemerken. Die fünfte Harmonische von 10 MHz ist 50 MHz, und in FR-4 wären das etwa 150 × 10 6 m / s / 50 × 10 6 = 3 m. In einem 30 cm langen Bus kann es also zu beginnenden Phasenverzerrungen kommen.

Die eigentliche Sorge ist Lärm. Durch Verlegen einer ausreichend breiten Spur über einer Grundebene breitet sich die Energie des Signals durch das Substrat zwischen der Spur und der Grundebene aus (Poynting). Und EMI aus anderen Quellen kommen nicht rein.

Mikrostreifenleitungen haben eine charakteristische Impedanz, die durch die Leiterbahnbreite und die Substratdicke und das Material bestimmt wird. dünnere Spuren haben eine höhere charakteristische Impedanz. Die Impedanz der freien Luft beträgt 377 Ohm. Wenn sich der Zo einer Spur dieser Figur nähert, beginnt er zu strahlen. Auch mit einer Grundplatte. Aus dem gleichen Grund hat die Verdickung des Substrats den gleichen Effekt. Beachten Sie, dass bei der Arbeit mit hohen Frequenzen die Impedanz der Schlüssel ist ... Abschluss, Anpassung ... Ein ausreichend langer Bus weist messbare Reflexionen auf, wenn er nicht ordnungsgemäß abgeschlossen wird.

Bei dichten Designs sind jedoch dünne Spuren erforderlich. Gehen Sie also Kompromisse ein.

Um die Impedanz der Mikrostreifenleitung durch einen Schlitz in der Masseebene unverändert zu lassen, muss der Schlitz mindestens zwei Mikrostreifenbreiten entfernt sein (wenn der Mikrostreifen vertikal zur Masseebene projiziert wird).

Unten sind einige Bilder eines 3D-Feldlösers zu sehen, die die Verteilung des elektrischen Feldes innerhalb des Mikrotrips und die Stromdichte in der Grundebene zeigen. Die Schlussfolgerung ist, dass es fast kein Feld oder keine Stromstärke in der Nähe des Mikrotrips gibt. Hier sind also Groundplane Breaks erlaubt.

Abbildung 1: Querschnitt des elektrischen Feldes senkrecht zur Streifenleitung. 2D Ansicht. Abbildung 2: Querschnitt des elektrischen Feldes senkrecht zur Streifenleitung. 3D Ansicht. Abbildung 3: Stromdichte in der Grundebene. 2D-Ansicht Abbildung 4: Stromdichte in der Grundebene. 3D Ansicht