Kiedy stosować wycięcia w płaszczyźnie podłoża?

Czytałem więcej o właściwych technikach uziemienia i używaniu płaszczyzn podłoża.

Z tego, co przeczytałem, płaszczyzny uziemienia zapewniają dużą pojemność z sąsiadującymi warstwami, szybsze rozpraszanie ciepła i zmniejszają indukcyjność gruntu.

Jedynym obszarem, który szczególnie mnie interesuje, jest wytworzona pojemność błądząca / pasożytnicza. Jak rozumiem, jest to korzystne dla śladów mocy, ale potencjalnie szkodliwe dla linii sygnałowych.

Przeczytałem kilka sugestii o tym, gdzie umieścić solidne płaszczyzny naziemne, i zastanawiałem się, czy są to dobre zalecenia do naśladowania i co stanowiłoby wyjątek od tych sugestii:

1. Utrzymuj płaszczyznę uziemienia pod śladami / płaszczyznami mocy.
2. Usunąć płaszczyznę uziemienia z linii sygnałowych, szczególnie linii dużych prędkości lub linii podatnych na błądzącą pojemność.
3. Stosuj odpowiednio pierścienie ochronne: otaczające linie o wysokiej impedancji z pierścieniem o niskiej impedancji.
4. Użyj lokalnych płaszczyzn uziemienia (to samo dotyczy linii energetycznych) dla układów / podsystemów układu scalonego, a następnie połącz wszystkie uziemienia z globalną płaszczyzną uziemienia w 1 punkcie, najlepiej w pobliżu tego samego miejsca, w którym spotykają się lokalne uziemienie i lokalne linie zasilania.
5. Staraj się, aby płaszczyzna uziemienia była jak najbardziej jednolita / solidna.

Czy są inne sugestie, które powinienem wziąć pod uwagę przy projektowaniu uziemienia / mocy płytki drukowanej? Czy typowe jest najpierw zaprojektowanie układu zasilania / uziemienia, najpierw układów sygnałów, czy też są one wykonywane razem?

Mam też kilka pytań na temat # 4 i lokalnych samolotów:

1. Wyobrażam sobie, że połączenie lokalnych płaszczyzn naziemnych z globalną płaszczyzną naziemną może wymagać użycia przelotek. Widziałem sugestie, w których używanych jest wiele małych przelotek (wszystkie w mniej więcej tej samej lokalizacji). Czy jest to zalecane w stosunku do jednego większego przez?
2. Czy powinienem trzymać globalne samoloty naziemne / energetyczne pod samolotami lokalnymi?

2) Bardzo polecam ZNOWU cięcie ziemi w pobliżu sygnałów o dużej prędkości. Błądząca pojemność naprawdę nie ma zbyt dużego wpływu na elektronikę cyfrową. Zwykle zbłąkana pojemność zabija cię, gdy działa na rzecz stworzenia filtra pasożytniczego na wejściu wzmacniacza operacyjnego.

W rzeczywistości zaleca się kierowanie szybkimi sygnałami bezpośrednio nad nieprzerwaną płaszczyzną uziemienia; nazywa się to „ mikropaskem ”. Powodem jest to, że prąd o wysokiej częstotliwości podąża ścieżką najmniejszej indukcyjności. W przypadku płaszczyzny uziemienia ścieżka ta będzie odbiciem lustrzanym śladu sygnału. To minimalizuje rozmiar pętli, co z kolei minimalizuje promieniowany EMI.

Bardzo uderzający przykład tego można zobaczyć na stronie internetowej dr Howarda Johnsona. Zobacz rysunki 8 i 9, aby zobaczyć przykład prądu o wysokiej częstotliwości idącego ścieżką o najmniejszej indukcyjności. (na wypadek, gdybyś nie wiedział, dr Johnson jest autorytetem w dziedzinie integralności sygnału, autorem bardzo chwalonego „High-Speed ​​Digital Design: A Handbook of Black Magic”)

Ważne jest, aby pamiętać, że wszelkie cięcia w płaszczyźnie uziemienia pod jednym z tych szybkich sygnałów cyfrowych zwiększą rozmiar pętli, ponieważ prąd powrotny musi objechać wokół odcięcia, co również prowadzi do zwiększenia emisji. Chcesz całkowicie nieprzerwanego samolotu pod wszystkimi cyfrowymi sygnałami. Ważne jest również, aby pamiętać, że płaszczyzna mocy jest również płaszczyzną odniesienia, podobnie jak płaszczyzna uziemienia, i z perspektywy wysokiej częstotliwości te dwie płaszczyzny są połączone za pomocą kondensatorów obejściowych, dzięki czemu można rozważyć „powrót” prądu powrotnego o wysokiej częstotliwości. samoloty w pobliżu czapek.

3) Jeśli masz dobry samolot naziemny, praktycznie nie ma powodu, aby używać śladu ochronnego. Wyjątkiem byłby wzmacniacz operacyjny, o którym wspominałem wcześniej, ponieważ mógłbyś przeciąć pod nim płaszczyznę uziemienia. Ale nadal musisz się martwić o pasożytniczą pojemność śladu ochronnego. Po raz kolejny dr Johnson jest tutaj, aby pomóc w ładnych zdjęciach .

4.1) Uważam, że wiele małych przelotek będzie miało lepsze właściwości indukcyjności, ponieważ są one równoległe, w porównaniu do jednego dużego, zajmując w przybliżeniu taką samą ilość miejsca. Niestety nie pamiętam, co przeczytałem, co skłoniło mnie do uwierzenia w to. Myślę, że dzieje się tak, ponieważ indukcyjność przelotu jest liniowo odwrotnie proporcjonalna do promienia, ale powierzchnia przelotu jest kwadratowo wprost proporcjonalna do promienia. (źródło: Dr. Johnson ponownie ) Zwiększ promień przelotowy 2x, ma on połowę indukcyjności, ale zajmuje 4x tyle samo powierzchni.

Jeśli chodzi o łączenie lokalnych płaszczyzn uziemienia z globalną płaszczyzną uziemienia, lepiej jest używać wielu małych przelotek, ponieważ pomoże to w dystrybucji prądu, a także wskaźnik awaryjności PCB jest zminimalizowany, oprócz zapewnienia lepszego rozpraszania ciepła.

Utrzymywanie globalnych płaszczyzn uziemienia / mocy pod płaszczyznami lokalnymi nie jest szkodliwe, tak jakby obserwowano wielowarstwowe konstrukcje płytek drukowanych, przestrzega się tego.

Uważaj, aby nie zdefiniować luźno wysokiej częstotliwości.

Efekty linii transmisyjnej, wymagające techniki mikropaskowej lub pasków paskowych, są warte rozważenia, gdy długość linii wynosi 1/100 lub większą od najwyższej częstotliwości niepokojącego sygnału (Ulaby). Jest to przydatne w przypadku projektów mikrofalowych. Na przykład, przebieg fali 1 GHz w powietrzu ma długość 30 cm, jednak we FR-4 ma około połowę tego (sqrt epsilonu r, względna przenikalność, dla FR-4 wynosi około 4, w zależności od składu). Dlatego ślad, który ma kilka centymetrów długości, z pewnością byłby niepokojący dla 1GHz.

W przypadku 10 MHz efekty linii transmisyjnej są prawie niezauważalne. Piąta harmoniczna 10 MHz to 50 MHz, a dla FR-4 będzie to około 150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3 metry. Tak więc w autobusie o długości 30 cm można doświadczyć początków zniekształceń fazowych.

Prawdziwym problemem jest hałas. Po umieszczeniu śladu o wystarczającej szerokości nad płaszczyzną uziemienia energia sygnału rozchodzi się przez podłoże między śladem a płaszczyzną uziemienia (Poynting). I EMI z innych źródeł nie może się dostać.

Linie mikropaskowe mają charakterystyczną impedancję, która jest określona przez szerokość śladu i grubość podłoża oraz materiał; cieńsze ślady mają wyższą charakterystyczną impedancję. Impedancja wolnego powietrza wynosi 377 omów. Kiedy Zo śladu zbliża się do tej liczby, zaczyna promieniować. Nawet z płaszczyzną uziemienia. Z tego samego powodu pogrubienie podłoża ma ten sam efekt. Należy pamiętać, że podczas pracy z wysoką częstotliwością impedancja jest kluczowa ... zakończenie, dopasowanie ... dostatecznie długa szyna będzie miała mierzalne odbicia, jeśli nie zostanie poprawnie zakończona.

Jednak w przypadku gęstych wzorów pojawia się potrzeba cienkich śladów. Więc kompromis coś.

Aby impedancja linii mikropaskowej pozostała niezmieniona przez szczelinę płaszczyzny uziemienia, szczelina musi znajdować się w odległości co najmniej dwóch szerokości mikropasków (jeśli mikropask jest rzutowany pionowo na płaszczyznę uziemienia).

Poniżej znajduje się kilka zdjęć z trójwymiarowego solwera pola pokazującego rozkład pola elektrycznego w mikroprzeładowaniu i gęstość prądu w płaszczyźnie uziemienia. Wniosek jest taki, że prawie nie ma pola ani prądu o dwóch szerokościach od mikroprzełącznika. Dlatego dozwolone są tutaj przerwy w płaszczyźnie podłoża.

Ryc. 1: Przekrój pola elektrycznego prostopadły do ​​linii paskowej. Widok 2D. Ryc. 2: Przekrój pola elektrycznego prostopadły do ​​linii paskowej. Widok 3D. Rysunek 3: Gęstość prądu w płaszczyźnie uziemienia. Widok 2D Rysunek 4: Gęstość prądu w płaszczyźnie podłoża. Widok 3D