Por:
Marcos Fortunato, Miembro Senior del Personal Técnico Principal
15 de octubre 2012
Resumen: En este tutorial se explica apropiado placa de circuito impreso (PCB) de puesta a tierra para el diseño de señal mixta. Para la mayoría de las aplicaciones de un método simple sin cortes en el plano de tierra permite exitosos diseños de PCB con este tipo de IC. Comenzamos este documento con lo básico: donde fluye la corriente. Posteriormente, se describe cómo colocar los componentes y trazas de ruta de señal para minimizar problemas con interferencias. Por último, pasamos a considerar el poder de suministro de las corrientes y el fin de discutir la forma de ampliar lo que hemos aprendido a circuitos con múltiples circuitos integrados de señal mixta.
Introducción
Nivel de placa diseñadores suelen tener preocupaciones sobre la forma correcta de manejar a tierra para circuitos integrados (ICs), que tienen distintos motivos análogos y digitales. Si los dos estar completamente separadas y tocar nunca? En caso de que se conecten a un solo punto con cortes en el plano de tierra para hacer cumplir este único punto de tierra o "Meca"? ¿Cómo puede un terreno Meca aplicarse cuando hay varios circuitos integrados que requieren motivos analógicos y digitales?
Este tutorial explica apropiado placa de circuito impreso (PCB) de puesta a tierra para señal mixta diseños. Para la mayoría de las aplicaciones de un método simple sin cortes en el plano de tierra permite exitosos diseños de PCB con este tipo de IC. A continuación, aprender a colocar los componentes y trazas de ruta de señal para minimizar los problemas de interferencias. Por último pasamos a considerar las corrientes de alimentación y terminan discutiendo la forma de ampliar lo que hemos aprendido a circuitos con múltiples circuitos integrados de señal mixta.
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Recuerde que nosotros llamamos una colección de componentes conectados eléctricos o electrónicos de un "circuito" porque las corrientes siempre fluye de una fuente a una carga y luego de vuelta a través de un camino-un retorno círculo de clases. Teniendo en cuenta que la corriente fluye, tanto en la dirección deseada para hacer el trabajo deseado, así como el retorno de la corriente resultante, es fundamental para realizar cualquier trabajo de circuito analógico también. Y, sí, todos los circuitos digitales son circuitos analógicos, sino que son un subconjunto de los que atribuimos significado a sólo dos estados. Los transistores y otros componentes, así como las corrientes y tensiones en el circuito, todavía operan por los mismos principios físicos que otros circuitos analógicos. Se inducen corrientes de retorno en la misma forma que cualquier otro circuito.
Figura 1. Una simple conexión es una conexión directa de un IC a otro.
La Figura 1 ilustra el más simple de conexiones en un diseño: una conexión directa de un chip a otro. Tomado como un circuito ideal en un mundo ideal 1 , la impedancia de salida de IC1 sería cero y la impedancia de entrada de IC2 sería infinito. Por lo tanto, no habría corriente que fluye. En el mundo real, sin embargo, la corriente fluirá de IC1 y IC2 en, o al revés. ¿Qué pasa con esta corriente? ¿Se acaba de llenar o IC1 IC2? Esa es una pregunta retórica broma.
En realidad, debe haber otra conexión entre IC1 y IC2 para permitir que la corriente que fluye en IC2 de IC1 para volver a IC1 y viceversa. Esta conexión es generalmente baja y no es indicado a menudo en una sección digital de un esquema (figura 1). Es en más implicado por el uso de símbolos de masa como se muestra en la Figura 2A . Figura 2B muestra el circuito completo para el flujo de corriente.
Figura 2. El circuito simple de la figura 1 con el suelo implícita (2A) y con el suelo camino de corriente indicado (2B).
Por supuesto, los propios circuitos integrados no son las fuentes de corriente. La fuente de alimentación para el circuito es. Para simplificar, se asume una línea de tensión solo y pensar en el suministro como una batería. Para ser completa, evitar las fuentes de ICS con condensadores.
Todas las corrientes de CC en última instancia, comenzar y terminar en la fuente de alimentación. Figura 3 se muestra el circuito completo con el flujo de corriente CC cuando IC1 se abastece la corriente indicada.
Figura 3. IC1 abastecimiento de corriente continua.
Para las señales de alta frecuencia ("alta" en gran parte determinada por la derivación de capacitancia y la impedancia de la fuente de energía), las aperturas actuales y finaliza con el condensador de derivación. Figura 4 muestra el flujo de señal de corriente de alta frecuencia.
Figura 4. IC1 abastecimiento la señal de corriente de alta frecuencia.
Es importante recordar que una salida no es siempre la fuente de las corrientes. Por ejemplo, consideremos el caso en el que se conecta una salida de IC1 a una entrada de IC2 que tiene una resistencia pullup a V DD . Figura 5 muestra transitoria (alta frecuencia) el flujo de corriente para esta situación con la corriente procedente de C2 a través de la pullup en IC2 hacia el lado de baja FET en IC1, que está en, y luego a través del cable de tierra de IC1 al cable de tierra de C2.Mientras IC1 es la "conducción" del dispositivo, hundiendo corriente en su terminal de salida por un cortocircuito a tierra con un FET, la fuente actual es de C2 a IC2.
Figura 5. IC2 abastecimiento la corriente de alta frecuencia.
Si el pin de salida de IC1 en la Figura 5 se mantiene baja durante un tiempo largo, entonces la corriente estática que se extraerán vendrá directamente de la fuente de alimentación ( Figura 6 ).
Figura 6. IC2 abastecimiento de corriente continua.
A este punto en nuestra discusión de los conceptos básicos, el modelo ha sido un tanto simplista. Hemos dividido convenientemente en señales de baja frecuencia y de alta frecuencia como si no hubiera un límite bien definido entre los dos. La verdad es que ambos caminos están siempre involucrados. En la Figura 6, en la transición inicial de la salida de IC1 al estado bajo, la actual viene del condensador de derivación en IC2. Esto es porque la salida de IC1 está "exigiendo" una corriente casi instantánea de la clavija de entrada de IC2, que tira de esta corriente de su pasador de alimentación.
Hemos colocado un capacitor de paso en IC2 con conexiones muy cortos a su potencia y clavijas de tierra precisamente para abastecer la demanda actual rápidos. La fuente de alimentación no puede proporcionar esta corriente transitoria, ya que no está muy cerca de la IC. Por lo tanto, tiene una resistencia sustancial y, más importante, la inductancia entre el mismo y la clavija de alimentación de IC2. Esta es la única razón para la colocación de condensadores de bypass en los circuitos integrados: para suministrar el transitorio (de alta frecuencia) que las corrientes de la fuente de alimentación no puede. Como el transitorio se asienta fuera, más y más corriente proviene de la fuente de energía y menos y menos proviene del condensador de derivación.
Simplificamos este concepto más allá al decir que la corriente de CC proviene de la fuente de alimentación y la corriente alterna viene del capacitor de paso (s). Sabemos, por supuesto, que es un poco más complejo que esta explicación.
Al considerar las situaciones más dinámicas, encontramos que todas las corrientes fluyen a través de una combinación de las cuatro rutas. El camino común en cualquier dirección comienza con el pasador de alimentación del componente de abastecimiento (IC1 o IC2), procede a través de ese componente y, a través de la interconexión con el otro componente (IC2 o IC1), y luego a través del segundo componente de su conector de tierra. Como la corriente completa su circuito de tierra para el contacto de corriente de la abastecimiento de componentes depende de la velocidad de la señal. La corriente DC todo volverá a la toma de tierra de la fuente de energía, sino que fluirá desde el cable de alimentación de la fuente de alimentación a la clavija de alimentación del componente de abastecimiento. Corriente de alta frecuencia de la señal en su lugar devolverá al cable de tierra del condensador de derivación de la abastecimiento de componentes, que también suministra la corriente a la clavija de alimentación. En realidad, ambos caminos están siempre involucrados, con el paso de corriente dominante de las señales de baja frecuencia. Tenga en cuenta que incluso si un transiciones de la señal digital a una velocidad lenta (por ejemplo, una onda cuadrada de 1 Hz), las transiciones de estado que causan las corrientes transitorias son tan rápido como con una señal de frecuencia mucho más alta. Ellos simplemente no ocurren con tanta frecuencia.
Por supuesto, se trata de un diseño bien aquí, así que los condensadores de bypass y el poder de IC y patillas de tierra están muy cerca. Adecuada evitando así hace el trabajo de un diseñador mucho más fácil. En general, podemos sólo pensar en el capacitor de paso y la IC como una entidad al considerar el flujo de las corrientes de señal a través de una PCB.
Nótese, finalmente, que el poder actual de señales de alta velocidad de corriente alterna viaja una distancia muy corta de un capacitor de paso a la IC que está pasando por alto. Los caminos a través de los propios circuitos integrados, por supuesto, es corta. La gran mayoría de la distancia de la corriente de bucle se encuentra en la interconexión de la salida de una ficha a la entrada de la otra y el retorno a tierra. Revise la Figura 4 y la Figura 5 y considerar lo que ocurre si los circuitos integrados están separados por una distancia mayor. Los condensadores de desacoplo permanecer cerca de su respectivo IC, y toda la distancia se añade a la interconexión y el retorno a tierra. Para corrientes de señal de mayor velocidad, aquí es donde vamos a ver los problemas ... si se presentan.
Fuentes digitales y analógicas y Terrenos
En los esquemas anteriores no hemos identificado los circuitos y señales como digital o analógica. IC1 podría ser unamplificador operacional con el FET de lado bajo que la parte inferior de una etapa de salida, la señal en el IC2 podría ser la entrada a un convertidor analógico-a-digital (ADC). IC1 podría fácilmente ser un microcontrolador con un push-pull de salida para un estándar de E / S pin; la entrada IC2 podría ser un pasador de control de un convertidor de digital a analógico ( DAC ).
Mencionamos ADCs y DACs como éstos son típicamente los componentes que causan problemas con la conexión a tierra para las señales analógicas y digitales.
Circuitos analógicos tienden a trabajar con señales que varían en un suave, modo continuo y para que pequeños cambios en la tensión o la corriente son significativos. Los circuitos digitales suelen transición abrupta de un estado a otro, la generación de pulsos de corrientes, que tienden a tener una amplia ventana de tensión que se asigna a un solo Estado.Es relativamente grandes, estos pulsos afilados de digital de corriente durante las transiciones que pueden abrumar las señales analógicas precisos si los dos no están suficientemente separadas una de otra.
El camino de menor impedancia
Es un director bien conocido que la corriente fluye en el camino de menor resistencia que el concepto se ha hecho su camino en el lenguaje cotidiano. Desafortunadamente, esto sólo es cierto para corrientes de CC. Una manera más completa y precisa de declarar el principio es que la corriente fluye en el camino de la menor impedancia.
Para DC, sólo la parte resistiva de la impedancia materia. En el caso de un plano de tierra sólida, la línea recta proverbial es el camino de menor resistencia. De hecho la corriente fluirá en más caminos indirectos también. La cantidad de corriente a través de cualquier ruta particular, será inversamente proporcional a la distancia debido a que la resistencia de tierra plano por unidad de longitud es muy uniforme. Por lo tanto, la corriente fluirá más en el camino en línea recta de la menor resistencia, y cada vez menos corriente fluirá a través de caminos que se apartan más y más de ese camino de línea recta. Por simplicidad, se indicará como corrientes de CC que circula en la trayectoria en línea recta, con el entendimiento de que hay un margen bastante amplio de corrientes con el mayor movimiento actual a lo largo de esa línea recta.
Para las señales que más nos importan aquí, las señales de corriente alterna de un poco de velocidad, tenemos que considerar la parte reactiva de la impedancia también.
Para un circuito impreso con una capa de plano de tierra adyacente a la capa de señal, que tienen una impedancia bien definida, que está determinada por la geometría de la huella, el espesor de la capa de junta que separa la traza del plano de tierra, el material de la placa , y la frecuencia de la señal. Todos los detalles matemáticos de estos dados están más allá del alcance de este tutorial. Afortunadamente, no es necesario trabajar a través de todas las matemáticas con el fin de utilizar los conceptos y obtener buenos resultados. Las referencias al final de este tutorial cubre los detalles también.
Consideremos nuestro ejemplo original muy simple de un solo rastro entre dos circuitos integrados (Figura 1). Esta vez les mostramos posicionado sobre un PCB con la traza de tomar una ruta indirecta ( Figura 7 ).
Figura 7. Huella indirecta Simple.
Supóngase ahora un plano de tierra sólida con la conexión a tierra en cada IC cerca del punto de conexión de traza. Las corrientes de retorno tiene que ir de la conexión a tierra de un IC para la conexión a tierra de la otra. Puesto que tenemos un plano de tierra sólida, el camino de menor resistencia, y por lo tanto la trayectoria de corriente DC, será una línea recta (la flecha azul en la Figura 8 ). En alta frecuencia, la inductancia mutua entre la traza y el plano de tierra por debajo de él crea la trayectoria de tierra de menor impedancia directamente debajo de la traza (la línea roja en la Figura 8).
Figura 8. Retorno a tierra, circuitos de mostrar el camino de menor resistencia (azul) y el camino de menor impedancia (rojo).
Pero lo que es de "alta frecuencia?" Una pauta común 2 es que las frecuencias de unos pocos cientos de kHz y por encima de tener corrientes de retorno que siguen el camino bajo la traza de la señal. La frecuencia real por encima del cual se considera de "alto" está determinado por la geometría de la junta del rastro, huella (anchura, el espacio entre las capas) y la junta de material (constante dieléctrica). Para el retorno de la corriente de seguir el rastro, en los casos más comunes que no tiene que preocuparse acerca de exactamente qué frecuencia se trata.
Tratamientos matemáticos de este fenómeno son extremadamente complejos y, con este autor, muy confuso.Afortunadamente, el Dr. Bruce Archambeault ha publicado sobre el tema 3 y gentilmente ha proporcionado las siguientes cifras que demuestran visualmente este tema mucho mejor que una página llena de ecuaciones nunca pueden hacer.
La Figura 9 muestra la geometría de un ejemplo de "U" en forma de traza sobre un plano de tierra.
La Figura 9. Geometría física para este ejemplo. (Dibujo por cortesía del Dr. Bruce Archambeault.)
Dr. Archambeault luego corrió simulaciones electromagnéticas de señales de frecuencias diferentes para ver cuáles son los caminos por la corriente fluiría. Las corrientes de señal para avanzar cada caso, por supuesto, están restringidos a la traza. Sin embargo, las corrientes de retorno de tierra puede fluir en cualquier lugar del plano de tierra.
La Figura 10 muestra cómo las corrientes para un flujo de señal de 1 kHz. La corriente de tierra principalmente fluye directamente de la carga a la fuente en una línea recta, como se indica por la línea amarilla estrecha. Una pequeña cantidad de los flujos de corriente de tierra a lo largo de la trayectoria de la señal (luz azul), mientras que el flujo incluso cantidades más reducidas de entre estos dos caminos, como se indica por el color azul más oscuro de la mayor parte del avión.
Figura 10. 1kHz flujos de corriente de tierra de la carga a la fuente en línea recta. (Dibujo por cortesía del Dr. Bruce Archambeault.)
La Figura 11 muestra la corriente para una señal de 50kHz que fluye principalmente a lo largo de la traza de la señal (la línea de ancho verde siguiendo el camino de la traza) y, en menor medida, directamente de carga a la fuente (la más débil, la línea de ancho, verde de los dos extremos de la traza) y en el medio. La zona media es azul claro y azul oscuro no, lo que indica el flujo de corriente mínima.
Figura 11. 50kHz flujos de corriente de tierra por todas partes. (Dibujo por cortesía del Dr. Bruce Archambeault.)
Finalmente, la Figura 12 muestra los caminos de corriente con una señal de 1MHz. Prácticamente toda la corriente de retorno a tierra está fluyendo a lo largo de la ruta de la traza de la señal.
Figura 12. Corriente de tierra 1MHz sigue la traza de la señal. (Dibujo por cortesía del Dr. Bruce Archambeault.)
Como era de esperar, volver corriente se dispersa en el plano más amplio que la propia huella. La distribución de corriente para estas altas frecuencias está dada por la siguiente ecuación. 4
(Ec. 1)
Donde:
J (x) es la densidad de corriente;
I es la corriente total;
w es el ancho de traza;
h es el espesor de la capa de planchar (la altura de la traza es por encima del plano);
x es hasta qué punto directamente debajo de la traza se medir la corriente, como se muestra en la Figura 13 .
Figura 13. Sección transversal del tablero.
Es importante tener en cuenta que la ecuación 1 es independiente de la frecuencia (de nuevo, suponiendo que la frecuencia es lo suficientemente alta, como se discutió anteriormente). Cuando evaluamos la ecuación 1, se obtiene una distribución de Gauss-mirada con un pico justo debajo del centro de la traza. Si sumamos la corriente entre x =-h a x = h, encontramos que 50% de la corriente total está en este intervalo. Además, el 80% de la corriente está comprendida entre x =-3h y x = 3 h. Como era de esperar intuitivamente, la más delgada la capa de placa (es decir, más cerca de la traza es al plano), mayor será la distribución de corriente será.
Los condensadores de bypass son importantes
Como se mencionó anteriormente en el tutorial, una descripción más completa del flujo de corriente en cualquier circuito incluye el condensador de derivación en cada IC y la fuente de alimentación. Comenzamos con el ejemplo de circuito simplificado de dos IC de la Figura 8. A continuación se incluyen los condensadores de bypass en la Figura 14 . Este diagrama muestra las rutas actuales con IC1 abastecimiento. En este ejemplo, hay un plano de tierra sólido en una capa adyacente a la capa de señal, que se supone que es la capa de componente. La energía se distribuye en esta capa superior con los restos metálicos de gran tamaño que se muestran en gris. Las conexiones con el plano de tierra están hechos con vías de la sección de metal verde en la capa de señal al plano de tierra.
Figura 14. Completar las rutas actuales, IC1 se abastece.
Las corrientes de señal en la capa de señal / componente se muestran con líneas de trazos. Ellos son los más fáciles de entender, ya que se limita estrictamente a los rastros de la señal que elegimos a otro. Las corrientes de retorno tienen un plano entero sobre el que puede fluir. Como las corrientes de CC fluirá a través de la vía de menor resistencia, se sabe que el camino de retorno de CC irá directamente desde el conector de tierra del dispositivo de carga, en este caso IC2, a la conexión a tierra de la fuente de alimentación por la distancia más corta, una línea recta. Las corrientes de alta frecuencia (transitoria) fluirá bajo la traza de la señal con una distribución determinada por la geometría de la huella y tablero.
Podemos profundizar en el flujo de corriente para las señales que son casos intermedios. Comenzar con bajas frecuencias suficiente como para que una porción significativa de la corriente fluye desde la fuente de energía, en lugar de prácticamente toda la corriente que fluye desde los condensadores. En este caso existe todavía la inductancia mutua que obligará a la corriente para volver bajo la traza de la señal, pero la distribución será, por supuesto, ser mucho más amplio.Además, una vez que la corriente de retorno bajo la traza llega a la IC, no lo hará toda la vuelta a la tierra de condensadores. En su lugar, un porcentaje de la corriente suministrada por el condensador vuelve a su suelo, mientras que el resto volverá a la tierra de la fuente de alimentación. Finalmente, cuando la frecuencia es más bajo de la inductancia mutua tendrá menos y afectar a menos; más corriente fluirá a través del paso de corriente.
Afortunadamente, este caso en el medio ya está gestionado por nuestros esfuerzos para manejar los casos de alta frecuencia y DC, con tal de que también hacen un buen trabajo tanto del poder sin pasar por los circuitos integrados y distribuir correctamente. Estos últimos dos elementos son realmente dos facetas del mismo esfuerzo. Como la fuente de alimentación se mueve más lejos de la IC que potencias, la impedancia-tanto la resistencia y la inductancia entre los dos se incrementará. Esto también sucede cuando la traza conectando los dos disminuye en anchura. La impedancia más entre la fuente de alimentación y el IC (no olvide incluir la impedancia de retorno) que se exhibe por la interconexión, más el capacitor de paso será invocado por el suministro de corrientes bajas frecuencias. Así capacidad se necesita más a medida que aumenta la impedancia de fuentes de energía.
Así que una vez más tenemos que cumplir con el requisito de una adecuada derivación de poder en el CI.
Para completar, la figura 15 muestra el flujo de corriente cuando IC2 es de abastecimiento.
Figura 15. Completar circuitos de disparo, IC2 de abastecimiento.
Observe el trazo de interconexión de la señal / capa componente. Sólo cambiamos la dirección de las flechas para la corriente de la señal y el retorno de corriente de CA. En este caso es C2, el condensador de derivación para IC2, que suministra la señal de corriente alterna a través de V IC2 DD pasador para el pasador de señal en IC2. La señal de corriente entregado a IC1 va al suelo a través de conector de tierra de IC1, los rendimientos de las porciones de corriente alterna en el plano del suelo bajo la trayectoria de la señal y los rendimientos de las porciones de CC en una línea recta a la fuente de alimentación.
Suelo no es un equipotencial
En este punto, es importante entender que un plano de tierra, a pesar de lo que nos enseñaron lo EE101, es no una equipotencial. En primer lugar, no importa qué tan grueso es el cobre para su plano de tierra, tiene resistencia. Por lo tanto, si las corrientes de retorno analógicas y digitales (o cualquier dos corrientes) compartir una porción de plano de tierra (es decir, su flujo de corrientes a través del mismo metal) habrá interferencia entre los dos como la resistencia del cobre produce gotas IR tensión. Piénsalo de esta manera: las patillas de tierra de dos componentes distintos conectar con el plano del suelo casi al mismo punto y sus corrientes volver a un solo punto en el otro extremo de la tabla. Suponga que la resistencia de cobre del plano a lo largo de este camino es 0.01Ω y que el componente A 1A es de abastecimiento, mientras que la corriente de componente B es 1uA. Al final donde estos componentes se conectan, el voltaje de tierra será 10mV mayor que el voltaje de tierra en el punto donde las corrientes de retorno. Incluso el componente B, que sólo está poniendo 1uA, experimentará un aumento de 10 mV por encima del punto de retorno. Si la corriente alterna del componente A de 1A a 0A, cualquier voltaje de referencia para el componente B puede variar hacia arriba y abajo por 10mV junto con esta corriente.
Compartidas trayectos de retorno suelen causar problemas cuando los circuitos digitales residen co-con circuitos analógicos. El intercambio puede interferir con el funcionamiento apropiado de un circuito analógico de precisión.
Otra causa de tensiones no uniforme a través de un plano de tierra es la longitud eléctrica. A frecuencias más altas de la longitud de los caminos de corriente a través del plano puede ser un porcentaje significativo de la longitud de onda de las señales que se propagan en el tablero. No vamos a perseguir este hecho en este tutorial. Es suficiente con decir que corto es mejor.
Poniendo todo junto
Con los fundamentos del flujo de corriente en un circuito impreso entendido, podemos empezar a usar este conocimiento para manejar adecuadamente la puesta a tierra de mixtos analógico-digitales integrados. En última instancia, el objetivo es asegurar que las corrientes digitales y analógicos no comparten las porciones de la vía de retorno mismo.
Por ahora te das cuenta de que todo el objetivo es reducir al mínimo común de los trayectos de retorno para las señales digitales y analógicas. Esta es, de hecho, el objetivo. Si hacemos esto, vamos a eliminar la causa principal de los problemas cuando los "desagradables" señales digitales corrompen las "vírgenes" señales analógicas.
Una suposición común es que uno debe cortar el plano de tierra en una sección digital y una sección analógica. Este es un buen punto de partida. Como se puede ver, si trazamos todo correctamente, simplemente puede rellenar los cortes con ningún cambio en el rendimiento.
Cortar el plano de tierra ... por ahora
Empezamos con un genérico ADC en un tablero como el único componente con un circuito analógico y digital. A continuación, vamos a determinar dónde cortar el plano de tierra para una tierra de punto único.
La figura 16 muestra las conexiones de pines para nuestro chip ADC. Sólo los pines de alimentación y tierra están etiquetados de forma explícita. El otro etiquetado sólo indica si la conexión es para un pin analógico o digital; sus funciones específicas no son importantes. Un pin analógico puede ser uno de varios pins de señal de entrada o una entrada de referencia o de salida. Un pin digital puede ser parte de una serie o interfaz paralelo , un pasador de control, o una selección de chip. Para nuestra discusión, los tratamos igual, independientemente de su función específica.
Figura 16. Un IC ADC.
Tenga en cuenta que los pines digitales son contiguas, como son los pines analógicos con suelo adyacente analógica y digital. Esto no es raro, porque los diseñadores de chips deben gestionar las mismas realidades como diseñadores de mesa. Tenga en cuenta también que hay dos patillas de tierra digitales. Esto es a veces necesario para que las corrientes de tierra en el chip de no causar problemas ya que corren de un extremo de la viruta a la otra.
Desde los pines analógicos y digitales se agrupan muy bien aquí, es muy fácil decidir dónde colocar los cortes de tierra (temporal) de avión.
Figura 17. ADC con plano de tierra cortada.
Vemos el plano de tierra en azul en la Figura 17 con el suelo de un solo punto a la derecha en las clavijas de tierra adyacentes analógicos y digitales. En general, cuando un plano de tierra corte es para ser utilizado como esta, el diseñador pone todos los chips digitales y los componentes relacionados a un lado del corte y todos los chips analógicos y los componentes relacionados en el otro lado. De esta manera sus patillas de tierra se puede conectar a la parte correcta de la placa de masa. Recordemos que para este ejemplo nuestro ADC es el único dispositivo con ambas clavijas analógicas y digitales y señales.
Supongamos ahora que se hizo un buen trabajo en esto, que todos los componentes digitales son completamente sobre la parte digital del plano de tierra, y que todos los componentes analógicos son más de la otra porción. No hemos terminado todavía. Debemos tener en cuenta el encaminamiento de las huellas de la señal.
Recorrido de los rastros de señal
Se comienza con una señal digital de uno de los circuitos integrados en este diseño enrutado como se muestra en laFigura 18 .
Figura 18. Bad enrutamiento de una huella digital.
Este seguimiento se enrutan a través de gran parte de la sección analógica y cruza el corte de tierra en dos lugares. La mayoría de los diseñadores se reconoce esta forma tan mala ya que resulta en una huella digital en la zona analógica que puede, por lo tanto, contaminar las señales analógicas. Mientras que es cierto, la magnitud del problema a menudo no se aprecia plenamente. Considere la posibilidad de que la corriente AC volvería.
Figura 19. Retorno a tierra por el rastro digital malo.
La Figura 19 muestra la corriente de retorno en naranja. Nótese cómo se sigue la traza de la señal hasta que se encuentra un corte. En ese momento sólo se puede volver a través de la tierra de un punto hasta llegar al otro lado del corte. En consecuencia, no sólo tenemos la actual digital con su contenido de alta frecuencia de trabajo a través de los circuitos analógicos de tierra, algo que estábamos tratando de evitar, pero también hemos creado dos antenas de cuadro agradable que se irradian estas señales.
Para nuestro método de corte de terreno para trabajar, hay que asegurarse de que los componentes digitales y analógicas permanecer en su lado respectivo de la corte y que las huellas hacerlo también.
¿Qué sucede cuando nos encontramos con este requisito? Figura 20 muestra todos los rastros señal enviada sin cruzar ningún recorte suelo. La corriente de retorno de flujo bajo las trazas de señal, reduciendo al mínimo el área de bucle porque lo único que separa las trazas de señal desde el plano de tierra es el espesor de la propia PCB.
Figura 20. Todos los rastros encaminan en el lado correcto.
Tome una mirada cercana a la corriente de tierra en la Figura 20. Ninguna de las corrientes "quiere" cruzar los cortes planos de tierra. Esto se debe a que hemos tenido cuidado de colocar los componentes a fin de que todas las conexiones, digital o analógica, son sobre sus respectivas áreas de tierra. Luego nos encaminan todos los rastros de permanecer en el área apropiada. Puesto que no hay corrientes están cruzando los cortes, los cortes se sirve ningún propósito y por lo tanto puede ser eliminado (es decir, se llena con metal).
¿Qué pasa con el poder?
Decidimos eliminar los cortes de tierra en nuestro ejemplo de diseño porque no hay corrientes de retorno de señal que "quieren" cruzar los cortes. Nosotros, sin embargo, tener en cuenta las conexiones de alimentación. Si tanto la potencia analógica y digital es de la misma fuente exacta, a continuación, la fuente y su retorno debe estar en un lado del corte o el otro (Figura 20). En este caso todas las corrientes de retorno de CC (y las bajas frecuencias suficientemente significativo que la corriente viene de la fuente y no en los condensadores de desacoplo) desde el otro lado del corte debe canalizar a través del puente de tierra restringida, en lugar de tener que recurrir a la conexión de retorno de alimentación.Esto hace que su camino más largo, la resistencia que se encuentran con más grande, y por lo tanto el voltaje cae por mayor.
Esta disposición no es un problema para las corrientes de retorno de tierra donde los pines en el ADC hundir la señal de corriente, ya que estas corrientes de volver de las patillas de tierra que son a la vez en el puente. Sin embargo, las corrientes de pins de tierra de otros componentes tienen que tomar una ruta indirecta. Figura 21 ilustra estas corrientes.
Figura 21. DC corrientes de tierra con cortes.
Extracción de las Cortes
Si eliminar los recortes, las corrientes de retorno de CC puede fluir más directamente, con una menor resistencia y por lo tanto menores caídas de tensión. Figura 22 muestra las corrientes de tierra mismas pero con eliminado los recortes.
Figura 22. Circuito de la figura 21 con el suelo recortes eliminado.
El mismo razonamiento se puede extender a la situación en la que hay múltiples carriles. Sólo tenemos que recordar que las corrientes de retorno fluirá y tomar los carriles múltiples en cuenta, al igual que hemos hecho con el único carril.
Desafío a tierra de varios circuitos integrados de señal mixta
El problema con los planos de tierra de corte se hace más evidente cuando se considera un diseño con más de un IC requiere motivos tanto analógicas como digitales. Supongamos que tenemos dos de los ADCs mismos discutidos anteriormente. Figura 23 muestra esta configuración y la forma en que no es factible obtener el suelo deseado solo punto.
Figura 23. Dos ADCs con un plano de tierra cortada.
Una reacción inmediata a esta situación podría ser la de hacer girar uno de los centros de retención de 180 grados, con lo que la fusión de los dos en un solo punto de tierra. Sin embargo, eso pondría a la parte digital del circuito norte uno de los circuitos integrados con el sur sección analógica de los circuitos integrados, el acuerdo sería dar la vuelta por el otro circuito. El resultado sería el caos, un caos de señales analógicas y digitales en el camino del otro. Incluso si esto se podría hacer para trabajar, no resuelve el problema de tres o más chips con motivos tanto analógicas como digitales.
Afortunadamente, podemos aplicar los principios mismos de puesta a tierra para un solo IC de señal mixta. Nos imaginamos que los recortes están ahí, o que temporalmente insertar si somos desafiados imaginación. Luego colocar los componentes y la ruta para que no permitimos que los rastros de cruzar los cortes. También puede ser necesario para mantener las señales analógicas de ADC1 de compartir caminos de tierra con las señales analógicas de ADC2. Esto es generalmente fácil de hacer, ya que naturalmente va a colocar los componentes para el circuito más cercano a él que a su vecino cada ADC. Figura 24 muestra lo que este podría ser similar a las corrientes de señal se muestran como líneas rojas y las corrientes de retorno de CA se muestra como líneas naranjas.
Figura 24. Todos los rastros encaminan en la parte apropiada de los cortes.
Al igual que con el ejemplo de una sola señal mixta IC, ninguna de las corrientes "quiere" cruzar los cortes de manera que los recortes pueden ser eliminados.
El mismo razonamiento se puede extender a situaciones más complejas. En general, es una buena idea pensar en que la corriente fluya por cualquier señal y la forma en que podría interferir con, o ser corrompido por otras corrientes, que fluyen a través del mismo metal. Esto es suficiente para la mayoría de aplicaciones.
A veces puede ser útil Cuts
Hay situaciones en las diversas limitaciones mecánicas, tales como las posiciones deseadas de los conectores, hacen que sea difícil mantener el flujo de corriente, en particular de baja frecuencia o de corriente continua, alejado de los circuitos que se desea proteger. En estos casos es posible que tengamos que recurrir al criterio de colocar los recortes en el plano del suelo.
El deseo de evitar tales complicaciones es una buena motivación para considerar la colocación mecánica de los conectores junto con la colocación de componentes PCB y enrutamiento temprano en un proyecto. Si los conectores se colocan con la consideración para el diseño en el principio de un diseño, se puede hacer el diseño final mucho más fácil, más limpio, y lo más importante, exitoso.
Incluso cuando se examinan con atención la interacción entre las colocaciones mecánicas y el flujo de la señal, fácilmente podemos tener situaciones en las que las exigencias externas nos obligan a poner las interfaces en los lugares que hacen que sea difícil mantener algunas corrientes de ir a donde no queremos que vayan.
La figura 25 muestra una junta con digitales, analógicas, y las interfaces eléctricas en lugares específicos a causa de los requisitos del sistema. Hicimos un buen trabajo de poner el contenido digital de ruido adyacente a, pero separado, de nuestra circuitos analógicos sensibles. Como se ha señalado anteriormente, las fichas que se encuentran tanto analógicos como digitales son juiciosamente colocados en la zona fronteriza.
Figura 25. Un tablero digital y analógica con ubicaciones fijas interfaz externa.
Incluso hemos hecho un buen trabajo de posicionamiento de los reguladores de potencia, de manera que los rendimientos de tierra de alta frecuencia para analógica y digital no tienden a compartir caminos. Sin embargo, recuerde que la corriente continua y baja frecuencia de alta potencia todo volverá a la tierra de la fuente de alimentación que se encuentra en la esquina inferior izquierda por el camino de menor resistencia: una línea recta.
El resultado es que DC grande y de baja frecuencia de las corrientes desde la región inferior derecha de la sección digital se ejecuta directamente a través de la circuitería analógica sensible. Podemos solucionar este problema mediante la colocación de un corte horizontal entre las secciones de circuitos analógicos y digitales que se extiende hasta el borde derecho de la placa. Sin embargo, no queremos que se ejecute las señales de interfaz entre lo digital a las secciones analógicas a través de este corte. Enrutamiento de estas huellas alrededor del corte les haría tomar un camino largo, indirecto que podría ser muy práctico, especialmente si hay una gran cantidad de ellos o si son particularmente rápido.
Otra idea sería colocar un corte vertical entre la circuitería analógica y los reguladores analógicos, forzando el retorno de potencia digital de la corriente fluya lejos de la circuitería analógica. Esto también nos obliga a dirigir la potencia analógica alrededor del corte. Figura 26 muestra cómo se haría.
Figura 26. Tablero analógico y digital con corte suelo.
El camino de la menor resistencia DC de la circuitería digital a la tierra de la fuente de alimentación ya no es una línea recta. Es, en cambio, un camino que pasa por encima del corte, por lo que pasar por la circuitería analógica (en toda su majestuosidad original). Esta disposición podría ser adecuada. Sin embargo, también puede ser engorroso si hay varios carriles de alimentación analógicas como se muestra.
En algunos casos, los reguladores analógicos mismos son sensibles con bajo nivel de ruido necesaria para el correcto funcionamiento de la circuitería analógica. Figura 27 muestra una disposición diferente. El concepto es el mismo que para la Figura 26, excepto que los reguladores analógicos están en el mismo lado del corte como la circuitería analógica.
Figura 27. La misma placa con los reguladores analógicos movido.
A veces habrá ruidosos reguladores de conmutación seguido de filtrado y bajo nivel de ruido lineal reguladores de los circuitos analógicos. Pensamiento similar se emplea para decidir donde los reguladores de conmutación se ponen ruidosos, siempre teniendo en cuenta que las corrientes fluyan.
Otra situación que a nivel de tarjeta cada vez más diseñadores de encontrar es la integridad de la señal de señales de alta frecuencia. Dado que las frecuencias obtener más alto en el GHz gama, encontramos diafonía entre las huellas que pasan cerca y paralelas entre sí. Esto hace las cosas más complicadas. Como hemos visto anteriormente, en el caso sencillo de una sola traza sobre un plano de tierra y como se ve en la simulación Dr. Archambeault para las señales de 1MHz (Figura 12), las corrientes de retorno no están contenidos dentro de la zona directamente debajo de las trazas de señal, pero son mucho más amplio. Es fácil ver que tan cerca las huellas paralelas tendrán sus corrientes de retorno comingle.Como el aumento de las frecuencias y las trazas convertido en un porcentaje más importante de una longitud de onda, las señales son más propensos a corromper el uno al otro. 5
Conclusión: Preste atención a que la corriente fluye
Muchos problemas con señal mixta de diseño de PCB se puede evitar siguiendo estos sencillos consejos: prestar atención a donde fluye la corriente. Para la mayoría de los casos lo único que tenemos que hacer es recordar dos principios básicos: el flujo de corriente continua y baja frecuencia sobre todo en el camino en línea recta de menor resistencia entre la fuente y la carga, y señales de alta frecuencia sigue el camino de menor impedancia, que está directamente bajo la traza de la señal. En medio de flujo de frecuencias por parte de ambos caminos y entre los dos caminos.
La idea de utilizar los cortes para evitar la interacción entre diferentes circuitos es a menudo innecesario, siempre y cuando sabiamente colocar componentes y trazas de ruta para evitar que esto suceda. A veces, un corte plano de tierra es necesaria porque no siempre somos libres de elegir en que los componentes se colocan. Una vez más, colocar el corte con prudencia, teniendo en cuenta todos los flujos actuales. Hay que recordar también que no hay señal alguna vez cruzar un corte en cualquier capa.
Lleve un registro de donde los electrones molestos quiere fluir y va a hacer su trabajo mucho más fácil. Por último, recuerda que "si bien siempre se puede confiar en su madre, nunca se debe confiar en su" terreno ". 6
Citaciones
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En un mundo ideal, esto sería todo lo que tendríamos que entender. El mundo ideal no existe o, al menos, la que estamos tratando con parece no ser ideal.
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Ott, Henry W., Ingeniería de Compatibilidad Electromagnética , John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, 2009. p 393.
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Ott, p 392
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Este tema es muy importante más allá del alcance de este artículo, pero está bien cubierto en las referencias y muchos otros libros sobre la integridad de la señal.
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Brokaw, Paul, "Un CI Amplificador Guía del usuario de la disociación, puesta a tierra, y hacer las cosas van bien para un cambio, "la aplicación Analog Devices Nota AN-202.
Referencias
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Johnson, Howard W., Ph.D. y Graham, Martin, Ph.D., High-Speed Digital Design: Manual de Negro Mágico , Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1993.
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Ott, Henry W., Ingeniería de Compatibilidad Electromagnética , John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, 2009.
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