След пересечения расщепленной силовой плоскости

12

Большинство источников в Интернете обсуждают сигналы маршрутизации через плоскость разделения мощности и как это сделать правильно. Основным решением здесь является создание короткого обратного текущего пути. Мне интересно, будут ли сигналы маршрутизации через разделенную плоскость источника питания (не плоскость заземления) иметь какое-либо заметное влияние на целостность сигнала, и если я должен принять меры.

Моя ситуация:

4-слойная печатная плата:

  • Верхний слой: сигнал
  • Внутренняя плоскость: расщепленная земля (аналоговая / цифровая)
  • Внутренняя плоскость: разделенная плоскость источника питания (в этом случае имеют значение 3,3 В цифрового и 3,3 В аналогового)
  • Нижний слой: сигнал

Я направляю несколько тактовых сигналов на нижнем слое, начиная с цифровой секции и заканчивая аналоговой секцией. Сигналы будут пересекать плоскость питания, разделенную между цифровым и аналоговым участками (ширина зазора 0,5 мм). Я предоставлю надежный путь возврата тока на заземляющей плоскости (мост между цифровым и аналоговым), поэтому возвратные токи не должны быть проблемой.

Тактовый сигнал чуть выше 12 МГц, следы шириной 0,2 мм и максимальной длиной 13,4 см. Следы заканчиваются последовательным резистором.

signal-integrity Бьянко Зандберген
источник
1
Хотя ответ Дэвида Кесснера является фантастическим, для более подробного руководства вы можете обратиться к следующим статьям Кейта Армстронга, требуется бесплатная регистрация и его книга EMC для печатных плат Кейта Армстронга
Мартин

Ответы:

16

Быстрый ответ:

Любой сигнал, который пересекает раскол в ИЛИ заземлении, является плохим. Чем выше скорость переключения (и чем быстрее края сигнала), тем хуже будут эффекты.

Длинный ответ:

Когда вы говорите: «Я предоставлю надежный путь возврата тока на заземляющей плоскости (мост между цифровым и аналоговым), чтобы возвратные токи не были проблемой», либо вы не понимаете проблем, либо я не понимаю ваше заявление. Причина, по которой я говорю это, заключается в том, что у вас не может быть «сплошного пути возврата тока», и вы все равно имеете плоскость разделения. Там должна быть какая-то неплотность.

Обратные токи будут течь в ближайшей к ИЛИ плоскости питания или заземления сигнала. Так что в вашем случае, если ваш сигнал находится на верхнем слое, то обратные токи будут на вашем слое земли. Но если ваш сигнал находится на нижнем слое, то обратные токи будут на слое мощности. Для большинства средне- и высокоскоростных сигналов обратный ток будет следовать за трассой сигнала, а не по кратчайшему пути. Иными словами, обратные токи будут пытаться свести к минимуму «площадь петли».

Если ваш сигнал переключается снизу вверх (или наоборот), то обратные токи также будут переключаться, протекая через развязывающую крышку. Вот почему важно разбрызгивать разъединяющие колпачки по всей печатной плате, даже если она находится слишком далеко от микросхемы, чтобы иметь какое-либо значение по мощности.

Минимизация площади контура имеет решающее значение для целостности сигнала, минимизации электромагнитных помех и уменьшения воздействия электростатического разряда.

Если ваш сигнал пересекает разрыв в плоскости питания / заземления, то обратные токи вынуждены идти в обход. В некоторых случаях этот обход может увеличить площадь петли в 2 раза или даже в 10 раз! Самый простой и лучший способ избежать этого - не пропустить сигнал через сплит.

Некоторые платы имеют смешанные аналоговые и цифровые плоскости, или в некоторых системах есть несколько силовых шин. Вот список вещей, которые могут помочь в этих обстоятельствах:

  1. Для таких вещей, как часы или активные линии данных, вы действительно не хотите пересекать разделение. Некоторая креативная маршрутизация на печатной плате является лучшим решением, хотя иногда вам просто нужно иметь комбинированную аналоговую / цифровую плоскость, а не разбивать ее.

  2. Для низкоскоростных сигналов или сигналов, в основном постоянного тока, вы можете пересечь разделение, но будьте осторожны и избирательны в этом. Если вы можете, замедлите скорость, используя резистор и, возможно, крышку. Обычно резистор физически перекрывает разделение.

  3. Такие вещи, как 0-омные резисторы или колпачки, могут использоваться для обеспечения пути возврата сигнала между двумя плоскостями. Например, если сигнал пересекает разделение, может помочь добавление кепки между двумя плоскостями рядом с сигналом. Но будьте осторожны, если это не будет сделано хорошо, то это может свести на нет любые положительные эффекты от разделения в первую очередь (IE, предотвращая попадание цифрового шума в аналоговую плоскость). Хорошая вещь об использовании колпачков или 0-омных резисторов для этого состоит в том, что это позволяет вам поиграть с дизайном после того, как PCB была сделана. Вы всегда можете набить или разложить детали, чтобы увидеть, что происходит.

Хотя многие конструкции печатных плат предполагают некий компромисс, постарайтесь не идти на компромисс, если в этом нет особой необходимости. При этом у вас будет меньше головных болей и меньше волос.

Я также должен отметить, что я полностью закрыл вопрос об изменениях импеданса из-за разделения и что это будет означать. Хотя это важно, это не так важно, как сведение к минимуму области цикла и прочего. И понять область контура намного проще, чем понять, как изменения импеданса повлияют на целостность сигнала.


источник
Если вам абсолютно необходимо использовать колпачок для «сшивания» разделенных плоскостей, убедитесь, что вы прикрепили колпачок к любой из сторон плоскости. Инженеры имеют дурную привычку полагать, что одна часть колпачка всегда прикреплена к GND, а другая к некоторому VCC, когда на самом деле вы будете подключать обе стороны к GND или обе стороны к VCC, в зависимости от плоскости, которую вы прошиваете ,
ajs410
Я предполагал, что обратный ток будет проходить через ближайший / замкнутый путь заземления, а не обязательно через плоскость питания, которая кажется неправильной
Бьянко Зандберген
@Bianco, он будет следовать по любому пути, минимизирующему индуктивность. То, что мы называем властью, - это еще мета-пластина, удерживаемая при постоянном напряжении, и она сформирует обратный путь. Это связано с тем, что на вашей микросхеме должны быть разъединяющие колпачки, сигнал может использовать их для «замыкания» цепи, если это необходимо. Часто вы также включаете сигнал питания, и в этом случае колпачки не понадобятся.
Кортук
4

Я должен дать некоторую традиционную мудрость на обочину. По крайней мере, для радиочастотных плат, которые я сделал, я обнаружил, что производительность улучшается за счет отсутствия разделения на аналоговые и цифровые. Вместо этого, использование сплошной плоскости заземления и выполнение заливки грунта для сохранения пути с низкой индуктивностью / низким сопротивлением к одному унифицированному узлу заземления работали лучше для типов продуктов, которые я сделал, в основном для небольших размеров (портативных) и РЧ тяжелых (для приемников). и передатчики в диапазоне 500 МГц и выше.

Обычно я не использую плоскости питания, так как не требуется большой ширины трассы, чтобы сбросить какое-либо следовое падение напряжения ИК-излучения до диапазона микровольт, и я бы предпочел заземление там.

Просто другой подход.

rfdave
источник
Я регулярно читаю подобные советы и придерживаюсь мнения, что те, кто не добился лучших результатов при использовании раздельного плана, делают это неправильно. Проектирование высокоскоростной радиочастотной платы - серьезный бизнес, проектирование высокоскоростной радиочастотной платы с раздельным аналоговым и цифровым заземлением - более серьезный бизнес. Это мнение, но с большой практикой проектирования и утомительным дизайном отдельная плата может получить преимущества для вашей аналоговой системы. Эти цифровые линии просто генерируют так много частот. Если у вас очень низкоскоростной цифровой, то ваш цифровой не нужно отделять.
Кортук
Я думаю, что, как и большинство инженерных разработок, это не простая задача, в которой каждый раз используется одно и то же пространство решений. Вот почему они хорошо платят инженерам.
Кортук
@ Кортук - Двойной негатив немного сбивает с толку. Я так понимаю, вы говорите, что если вы все сделаете правильно, разделенная плоскость даст вам лучшие результаты? Это не мой опыт, но вы правы, что каждый раз не существует одно и то же пространство для решения, что, возможно, и более важно! Вы должны начать с хорошего плана здания, максимально разделив аналоговые, цифровые и источники питания, или вы
плывете
@Kortuk: Говард Джонсон в «Высокоскоростном цифровом дизайне» довольно решительно выступает за одну наземную плоскость.
Даррон
1

Кто-то может спросить - почему тактовый сигнал идет в аналоговую область? Возможно, вам нужно управлять своими самолетами, чтобы создать цифровую основу для цифровых сторон вашего ЦАП / АЦП (я предполагаю, что «что здесь происходит»).

Toybuilder
источник
Это действительно тактовые сигналы для АЦП. Входы кварцевого генератора расположены в аналоговой части микросхемы. Я решил не использовать внешний кристалл, а обеспечить внешний тактовый сигнал. Этот сигнал генерируется централизованно в цифровой секции и распределяется по всей плате через буфер.
Бьянко Зандберген
@Bianco, это звучит как источник большого количества шумовых проблем. Высокочастотные часы являются дьяволом в деталях.
Кортук
Сейчас я переделываю свой дизайн, чтобы использовать несколько источников тактовых сигналов вместо центрального. Я хочу избежать ненужных насмешек с дьяволом.
Бьянко Зандберген
Помимо тактового сигнала, ваши линии данных АЦП также должны быть подключены - многие АЦП предназначены для разделения DGND и AGND, а также для разделения цифровых выводов от аналогового - вы можете разделить заземляющие плоскости прямо под IC. (см. analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-031.pdf рисунок 8). Разве такого разделения нет в ваших АЦП?
Toybuilder
1

Часы не должны проходить через переходные отверстия. Есть цена индуктивности и емкости, которую вы платите при использовании переходных отверстий, и с увеличением тактовой частоты это в конечном итоге вас укусит. Это также вызывает возвратные токи часов через разъединяющий колпачок. Лучше всего держать часы на одном слое.

Это в дополнение к совету выше.

ajs410
источник
1
Это действительно зависит от платы. Для 4-слойной печатной платы вы абсолютно правы. Для досок с более чем 4 слоями было бы лучше поместить ваши часы во внутренний слой (между плоскостями питания / земли). Если между верхней и первой плоскостями есть сигнальный слой, тогда импеданс следов на вершине будет ужасным, поэтому установка часов на другой слой может быть плюсом. И, наконец, для BGA вы часто не можете разветвлять сигнал, не переходя во внутренний слой - в этом случае у вас нет выбора. Это помогает поставить колпачок возле часов через, чтобы уменьшить токи петли.
1

В зависимости от скорости часов и их маршрутизации, я ожидаю, что вы могли бы выиграть, передав их через устройство на границе двух плоскостей, вход которого относительно цифровой плоскости, а выход - относительно аналоговая плоскость. Если часы используются для многих целей, вы также можете установить их там так, чтобы через границу проходили только тактовые импульсы, которые действительно были связаны с АЦП.

Supercat
источник
1

Маршрутизация ваших часов по разделенным самолетам будет иметь негативное влияние. Как уже упоминали некоторые другие, лучше использовать одну сплошную плоскость заземления и разделить аналоговую и цифровую маршрутизацию, чтобы сохранить их в изоляции. Я был бы обеспокоен EMI с вашими часами, проходящими через разделенную плоскость (выглядит как щелевая антенна), и вы могли бы рассмотреть возможность перехода от последовательного завершения к параллельному для вашей линии часов.

Я не говорю, что пересечение разделенных плоскостей в этом типе установки не может быть выполнено, но вы должны позаботиться и понять, что будет риск того, что вы не сможете легко определить количество.

Если вы собираетесь сохранить свой макет таким, какой он есть, я хотел бы в некоторых заметках о приложениях от ребят из АЦП, таких как Analog Devices (или от вашего чипа вендора АЦП), посмотреть, какие рекомендации они дают для такого типа раскладки.

Тим Койл
источник
0

К сожалению, электрические поля заставят электроны исследовать ВСЕ возможные пути возврата, пропорциональные проводимости (восприимчивость, для сигналов переменного тока).

Да, некоторые пути будут предпочтительнее из-за низкого импеданса. Но некоторые электроны все равно пойдут другим путем, потому что эти другие пути существуют.

На частотах, значительно превышающих SkinFrequency (5 МГц для 35 микрон 1 унция / фут ^ 2), электроны не успевают проникнуть через фольгу и (в основном) остаются на одной стороне. На 20 МГц у вас есть 2 SkinDepths, или 2 * 8,9 дБ = 18 дБ сокращения (почти 10: 1). На 80 МГц у вас есть 4 SkinDepths, или 4 * 8,9 дБ = 36 дБ сокращения (почти 180: 1). На частоте 320 МГц (возможно, 1 нс), у вас 8 SkinDepths или 8 * 8,9 дБ = 72 дБ снижения (более 30 000: 1).

Заметьте, что ЕЩЕ ДВИЖЕНИЕ электронов через фольгу, в сторону, обращенную от вашего следа агрессора. В этой "тихой" части самолета все еще есть падение I * R.

analogsystemsrf
источник