Чи повинен я дійсно розділити основну площину на аналогову та цифрову частини?

Я збираюся створити свою першу плату як частину мого дипломного проекту. Звичайно, як перший крок, я намагаюся якомога більше навчитися. Частина дослідження, яку я знайшов у цій статті 3-ї частини , говорить про те, що це не є необхідним, а в деяких випадках навіть шкідливо розділяти основну площину на аналогову та цифрову частину, що суперечить тому, що я дізнався у проф. Я також читав усі теми на цьому сайті, які стосуються ґрунтових площин / заливів. Незважаючи на те, що більшість погоджується зі статтею, все ж є думки, які виступають за розрізнену основу. напр

https://electronics.stackexchange.com/a/18255/123162 https://electronics.stackexchange.com/a/103694/123162

Як новачок із дизайну друкованих плат, мені здається, що це заплутано і важко вирішити, хто правий і який підхід використовувати. Отже, чи слід розділити площину заземлення на аналогову та цифрову частини? Я маю на увазі фізичний поділ або з розрізом на друкованій платі, або з окремими багатокутниками для DGND і AGND (або не з'єднані, або з'єднані в одній точці)

Можливо, щоб ви дали рекомендацію, яка відповідає моїй перспективної друкованій платі, я вам про це розповім.

Друкована плата буде розроблена у безкоштовній версії Eagle => 2 шари

Друкована плата призначена для тестування та точного вимірювання (струму та напруги) літієвих батарей. Керувати платою слід за допомогою Raspberry Pi через цифровий інтерфейс (GPIO / SPI (40 кГц)). На платі будуть три перетворювачі даних (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) та роз'єми для попередньо вбудованого модуля RTC на цифровій стороні. Аналогова потужність надходить від зовнішнього регульованого живлення через бортовий регулятор напруги LT3042 (5,49 В). Крім того, існує напруга 5 В напруги LT6655B. Аналогова частина по суті є ланцюгом постійного струму, єдиний дійсно HF - це внутрішній 16 МГц головний такт АЦП.

Цифровий 3,3 В (головним чином для живлення цифрових інтерфейсів) отримуватиметься від Raspberry PI. Таким чином, буде 2 заземлення: зовнішній блок живлення та цифровий інтерфейс Raspberry Pi.

У зв'язку з цим ще одне питання: звертаючись до малюнка 3 , як я переконуюсь, що зворотні струми від цифрових інтерфейсів надходять у потрібне заземлення (пам’ятайте, у мене їх 2)?

Додаткове занепокоєння: чи може струм розподілу потужності порушити чутливі вимірювання? Я збирався розділити їх, спрямувавши потужність на нижній шар, але це вже не гарна ідея у випадку монолітної площини заземлення

І поки я все ще запитую: якщо припустити більш-менш монолітну площину заземлення на дні та шар сигналу / компонента зверху, який найкращий спосіб підключити негативну сторону обхідних конденсаторів до площини заземлення?

Вам потрібно думати з точки зору спільного опору (не опору, а реальної імпедансу).

Розглянемо частини схеми, які використовують GND як орієнтир 0V для чутливих аналогових цілей. Очевидно, ви хочете, щоб кожна з цих "0В посилань" була однаковою "0В". Однак струм, що проходить через площину GND, введе додаткову напругу помилки на верхній частині "0V" кожного мікросхеми.

Тепер намалюйте схему вашого GND з струмами, що проходять через нього.

Якщо ви не розділили площину, але у вас протікають великі струми, оскільки ви поставите роз'єм вводу живлення з лівого боку, роз'єм виходу живлення з правого боку, а суперчутливі аналогові біти посередині, то ви можуть виникнути проблеми через високий струм, що протікає в GND, і створення градієнта напруги.

Залежно від частоти враховуйте опір (тобто індуктивність, а не лише опір).

Зараз для цього є кілька рішень.

• Ви можете розмістити свої роз'єми живлення в більш розумних місцях (тобто введення потужності поруч із вихідною потужністю), щоб високі струми не рухалися у вашій площині GND. Це стосується всіх поточних циклів, які несуть великі, галасливі або високі ді / дт струми, як внутрішні петлі DCDC, або петлі між ним та його навантаженням (скажімо, процесор) або навіть заземлений шлях між роз'єднувальним ковпаком і чіп, який він роз’єднує.

Переконайтеся, що ви знаєте, де ці петлі! Упорядкуйте їх за клопотом (приблизно "область * di / dt" для змінного струму або "площа * I" для постійного струму). Розміщення має важливе значення. Хороше розташування з тугими струмовими петлями робить макет набагато менше головного болю.

• Ви можете використовувати диференціальні підсилювачі та АЦП, які ігнорують загальний режим шуму.

Це обов'язково, якщо напруга на відчуття сидить на шунті високої сторони. Тепер скажімо, ви використовуєте, наприклад, підсилювач струму. Не забувайте, яка напруга на його штифті "вихідний довідник" (часто неправильно позначений "GND") безпосередньо додається до виходу ... так що не дотримуйтесь сенсорний підсилювач між двома MOSFET його штифтом "GND" посередині "двигуна поточний шлях повернення "...

• Ви також можете розділити літак, але тоді вам потрібно вирішити, де ви його поділите. І (ось дещо стає неприємним), коли ви з'єднуєте свої два майданчики разом у постійному струмі (або на високих частотах, якщо ви використовуєте ізолятори ...

Назвемо два ваші підстави AGND та PGND (аналогові та потужні). Деякі кажуть розділитись та приєднатися до AGND / PGND або AGND / DGND під ADC. Це означає, що будь-який струм, що проходить між AGND і PGND, повинен протікати в наземному зв’язку під АЦП, що є найгіршим можливим місцем.

Рішення, яке має багато сенсу, - це «прихований розкол». Розміщення має важливе значення. Наприклад, ви ставите силові / шумні речі праворуч, а чутливі речі - зліва. Ви розміщуєте ковпачки для роз'єднання, щоб петлі струмів живлення, що проходять через GND, були короткими і добре розміщеними. Потім, оскільки на вашій платі є дві чітко визначені зони, ви можете звузити ширину площини заземлення, що з'єднує їх, щоб забезпечити, щоб високі струми не протікали в чутливих бітах.

Це дуже наочно і важко для пояснення, а правильне розміщення роз'ємів має важливе значення.

Ці навчальні посібники хороші: https://learnemc.com/emc-tutorials

Просте введення SLITS в площину GND може бути достатньою для того, щоб значною мірою утримати цифровий / силовий / релейний / моторний сміття з делікатних аналогових областей. [EDIT 9 червня Показано, що вузька область досягає ослаблення 12 дБ / квадрат. РЕДАКЦІЯ Червень 2019 Не забудьте також розрізати Power Plane (запропонував barleyman)]

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Що ми можемо передбачити щодо розміщення щілини проти інтрузивно-струму в точці та з точки зору?

^{моделювати цю схему}

Чого чекати, коли щілина втручається в струми?

^{моделювати цю схему}

У нас було приблизно 40 мікровольт / квадрат по нижньому краю друкованої плати, припускаючи 0,0005 Ом / квадрат. Ми можемо оцінити падіння напруги I * R, викликане ONE AMPERE вгорі праворуч на друкованій платі, уздовж самого нижнього краю друкованої плати всередині аналогової області, як просто

Slit_Atten = довжина щілини / по всій довжині петлі всередині чутливої ​​області

Падіння напруги в самому дні (на квадрат) є

Напруга через щілину * Slit_Atten

Math: щілина - 4 квадрата, при цьому 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten - 4 квадрата / 20 квадратів (вся периферія петлі) = 20%.

Перепад I * R на квадратний квадрат - 160uV * 20% = 32 uV.

Це показує значення використання лише NARROW областей між цифровим / шумовим та аналоговим.

Ось ще один спосіб розрізати.

^{моделювати цю схему}

Напруга на квадрат, де OpAmps потребує тихої GND = 32 uVolts, на квадрат. Не дуже тихо. Що робити?

1) вирізати щілину далі в площини; зараз на рівні 80%, перейдіть до 95% і, ймовірно, отримаєте експоненціальне покращення тиші; запустіть СПІМ-сим і подивіться, як

2) зробіть щілину ----- не вузькою ----, а глибокою, як це

^{моделювати цю схему}

Що ми можемо передбачити щодо відвідування «L» щілин? Виявляється, ми можемо передбачити ослаблення 12 дБ на квадрат звуженої області. Ми збільшуємо масштаб і бачимо це

^{моделювати цю схему}

Справжній ключ - ЗАВЖДИ розміщення, зробіть це розумно, і будь-яка установка може працювати на щось подібне, зрозумійте, що це занадто неправильно, і не тільки, що дошка буде дуже складно прокладати маршрут, але буде важко досягти потрібної точності.

Суцільні літаки правило, коли у вас швидкі речі, що завгодно, у будь-який час, коли ви маєте крайню швидкість в області кількох нс (тактова частота не має значення, швидкість ребра), ви хочете, щоб суцільна площина була принаймні в цьому регіоні, я, як правило, тверду площину в першому прототипі кожен раз і з цим пізніше возитися, якщо він не отримує мене від того, що я хочу (я, як правило, не потрібно його міняти).

Тепер у вашому випадку точність постійного струму має значення, і взагалі такі речі найкраще робити з диференціальним зондуванням (Вирішіть, за якими двома пунктами потрібно виміряти напругу між собою та виміряти цю напругу, а не одну відносно якоїсь площини).

Тільки тому, що у вас площина не означає, що вам потрібно підключитися до неї в довільних точках, ви можете, наприклад, вирішити повернути «заземлений» кінець резистора в диференційній підсилювачі до площини в тій же точці, що і вхід попередніх ступенів. розділювальний резистор, забезпечуючи таким чином, що вони бачать однакову напругу, ієрархічні підстави - це добре, але диференційні правила вимірювання для цього матеріалу.

5.49 мені здається оптимістичним, abs max - це не те, де ти колись хочеш бути.

Розвідники, як правило, прямують до площини.

Якщо ви вирішили розділити площини, то ви повинні переконатися, що під ділянкою, де контрольні лінії проходять між двома, існує безперервне з'єднання, ви ніколи не прокладете жодного сліду над розщепленням в площині.

Зважаючи на ваші низькі швидкості, не забувайте, що ви можете перевищити вибірку, а децимація збільшує вашу ефективну довжину слова.

Деякі зауваження щодо цього. Як зазначали інші, нинішні петлі - це не ваші друзі. Ви повинні бути в курсі своїх ланцюгів високої потужності / високої швидкості та місця, яким вони подаються. Все, що знаходиться між цими двома точками, знаходиться безпосередньо в області пожежі, не ставте свої 16-бітні АЦП між перетворювачем посилення та потужними світлодіодними контрольованими ШІМ ..

Розщеплення або рови в наземних площинах можуть бути корисними, але вони швидко залучаються. Найголовніше, що потрібно пам’ятати, це ніколи не перекривати розбиття в плані високовисокою / чутливою сигнальною лінією . Вашим сигнальним лініям потрібен шлях зворотного струму прямо біля них. Отже, якщо ви створюєте підкову навколо АЦП, вам доведеться також прокладати всі сигнали навколо цього рову. Якщо вам абсолютно доведеться перетнути розкол, ви можете використовувати локальний конденсатор для з'єднання окремих площин GND, але тоді ви перемагаєте призначення рову на 1-му місці. Припускаючи, що у вас є багатошарова дошка, але було б набагато менш болісно просто не робити цього. Змінюйте шари перед розщепленням на іншу площину, яка має рівномірну опорну площину. NBце не стосується постійних або низькочастотних сигналів / навантажень. Вони досить щасливі йти шляхом найменшого опору навколо рову. Не забувайте, що вам потрібно зіставити розколи в літаках GND та відповідні розколи в силових площинах!

Щоб зробити це більш складним, це стосується опорної площини, тобто площини заземлення поруч із рівнем сигналу. Якщо у вас 8 або більше шарів, не має значення, що знаходиться на площині L2, якщо ваша чутлива схема є на L8. Ви також можете використовувати силовий літак як орієнтир, але часто в ці дні у вас є будь-яка кількість силових площин (5 В, 3,3 В, 1,8 В, 1,2 В, -5 В, що завгодно), тому схема порушень може бути посилається тільки на силову площину вона походить від .. Посилання 1.8V PHY на площину 3.3V не працюватиме. Якщо ви знаєте, ви знову не будете надавати ці зшиваючі шапки між літаками.

Я зробив високошвидкісний мультиплексний блок АЦП, який досяг по суті нульового рівня шуму (~ 0,6 одиниці ADC) шляхом розщеплення VCC та VCCA плюс GND та AGND. Але я знаю, що роблю, і я витратив час релігійно на картографування аналогових ліній і створення «островів» з пов’язаної міді на наступному шарі тощо. Більшу частину часу я просто тримаю всі підстави разом і маю на увазі поточні петлі.

Зміна шарів також вважається розщепленням в площині, тому у вас повинен бути узгоджений GND через (и) поблизу, тому швидкісний зворотний струм не повинен робити зайвих обходів.

Підсумкове зауваження : зворотний струм йде шляхом найменшого опору. Для низьких частот це найкоротший доступний твердий мідний шлях, який може не слідувати сигналу / потужності. Для більш високих частот його справа поруч із ведучим сигналом, оскільки розділення збільшує опір. Ось чому схрещування площин закінчується сльозами, коли ви створюєте розрив, що призводить до відбиття, випромінюваної радіочастотної частоти, втрати цілісності сигналу, дощу жаб тощо.

Ви могли повністю розділити потужність і землю як для аналогового, так і для цифрового. Використовуйте ізольовані перетворювачі постійного струму та оптоізоляцію для цифрового інтерфейсу між ними.