Ponto único versus plano de aterramento, em layouts de áudio OP AMP PCB


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Recentemente, eu havia postado uma pergunta aparentemente inocente em outro fórum. Eu estava tentando manter um circuito pequeno e relativamente simples em uma placa de duas camadas e estava perguntando sobre os méritos da blindagem de um vazamento de cobre ligado ao solo analógico, em vez de dedicar um plano separado e ininterrupto usado para o solo. Embora minha pergunta se referisse apenas ao valor de proteção de um vazamento de cobre, uma grande controvérsia começou em um ponto totalmente diferente. No meu layout, criei um aterramento virtual usando o divisor de tensão típico, alimentando um amplificador OP configurado para ganho de unidade e, em seguida, executei cada retorno de aterramento analógico para um ponto adjacente à saída desse aterramento virtual. Eu também fiz um derramamento de cobre na camada menos ocupada e amarrei-a no mesmo solo analógico, novamente no mesmo ponto único. Mas logo houve uma série de postagens criticando meu uso de um esquema tão complicado de "teia de aranha", com muitos gritos em que eu deveria apenas criar um plano de terra e fazer todas as conexões com o ponto disponível mais próximo desse plano (através de quando necessário). Fazer isso certamente cria visualmente um layout mais limpo e simples. Mas, tendo percorrido o caminho do "ponto único" por tantos anos e tendo projetos bem-sucedidos (significando bastante e estáveis), hesito em mudar. Especialmente porque alguns dos argumentos falavam de pontos únicos como algo arcaico e relegado a circuitos de tubo de vácuo. O que? Com muitos toques, eu deveria apenas criar um plano de aterramento e fazer todas as conexões com o ponto disponível mais próximo desse plano (através da via quando necessário). Fazer isso certamente cria visualmente um layout mais limpo e simples. Mas, tendo percorrido o caminho do "ponto único" por tantos anos e tendo projetos bem-sucedidos (significando bastante e estáveis), hesito em mudar. Especialmente porque alguns dos argumentos falavam de pontos únicos como algo arcaico e relegado a circuitos de tubo de vácuo. O que? Com muitos toques, eu deveria apenas criar um plano de aterramento e fazer todas as conexões com o ponto disponível mais próximo desse plano (através da via quando necessário). Fazer isso certamente cria visualmente um layout mais limpo e simples. Mas, tendo percorrido o caminho do "ponto único" por tantos anos e tendo projetos bem-sucedidos (significando bastante e estáveis), hesito em mudar. Especialmente porque alguns dos argumentos falavam de pontos únicos como algo arcaico e relegado a circuitos de tubo de vácuo. O que? Especialmente porque alguns dos argumentos falavam de pontos únicos como algo arcaico e relegado a circuitos de tubo de vácuo. O que? Especialmente porque alguns dos argumentos falavam de pontos únicos como algo arcaico e relegado a circuitos de tubo de vácuo. O que?

De qualquer forma, apenas bisbilhotando, minhas pesquisas sobre o assunto pareciam mostrar dois campos sobre esse assunto. Um argumento é que, quando um plano de terra ininterrupto está disponível, ele é sempre superior. O outro argumento diz que, se é um circuito de alta frequência, um plano de aterramento é melhor, mas para um circuito de baixa frequência (incluindo áudio), o método de aterramento de ponto único é melhor, principalmente para evitar loops de aterramento.

É claro que ainda tenho um dilema, já que os custos de protótipo estão me restringindo a uma placa de duas camadas, se possível desta vez, e isso significa que meu pseudo plano de terra será, na melhor das hipóteses, um vazamento de cobre, quebrado por alguns traços curtos aqui e ali . Porém, antes de adicionar essa complexidade ou possível exceção à regra, gostaria de colocar essa questão específica para discussão geral: para um design de áudio que envolva amplificadores operacionais, quando é um ponto único "o esquema básico é o caminho certo a seguir e quando é apenas o "caminho mais próximo de um plano de terra" mais simples, a melhor (ou pelo menos uma adequada) escolha.

A título de exemplo, essas duas capturas de tela em camadas mostram duas versões razoavelmente semelhantes da mesma placa, que na realidade são de 4 "x 2,5". No primeiro, você pode ver muitos traços longos nos dois lados do quadro, culminando em um único bloco chamado AGND. O segundo é quase o mesmo circuito, mas desta vez a área pobre em cobre azul faz parte da rede de aterramento analógica; portanto, todos esses traços longos desapareceram em favor do caminho mais próximo do plano de aterramento / vazamento de cobre. Além de todas as críticas possíveis sobre outros problemas de layout que se possa observar, este é apenas um exemplo. Eu realmente gostaria de limitar esta discussão à pergunta original.

versão solo de ponto único versão solo de ponto único

Caminho mais próximo da versão do plano de terra Caminho mais próximo da versão do plano de terra


Esta é uma grande pergunta! (Da minha experiência limitada) Gosto do ponto único de aterramento para áudio DC (talvez até 100kHz). (Também é um pouco dependente do ganho.) Quando você ultrapassar isso (f> 1 MHz). Achei melhor ter um grande aterramento com várias conexões ao painel frontal / terra do gabinete. Suponho que exista alguma conexão com as correntes de retorno do sinal; em algum momento você se preocupa mais com a indutância da linha de base.
George Herold 21/10

Sabe, eu quase comecei a pensar na indutância desses longos caminhos terrestres como meu amigo. Afinal, eles parecem inibir o ganho em frequências onde você não gostaria de ganhar em um circuito de áudio! E sim ... na questão do ganho, esse circuito em particular é projetado para estar próximo da unidade e lidar apenas com sinais de nível de linha (em torno de 100 mV). Portanto, é discutível em um caso como esse não importa muito. Mas acho melhor ter uma mente aberta se de uma forma ou de outra for realmente melhor. Agora, além do aborrecimento do roteamento, você experimentou efeitos negativos do aterramento de ponto único?
Randy

Sorria, bem, um ganho de 10 ^ 4, BW DC- ~ 2-3 MHz. O primeiro PCB de ponto único não oscilou ... mas quase. Ele teve um pico de ganho perverso em alta frequência. Em alta frequência, a indutância não é sua amiga. Eu acho que isso leva a uma mudança de fase. Você já observou alguma coisa sobre integridade do sinal, onde eles falam sobre onde as correntes de retorno (GND) fluem?
George Herold 21/10

Ouvi dizer que, em altas frequências, o plano de terra é a melhor escolha, provavelmente por causa desse problema de indutância. O problema, é claro, é que mesmo um circuito destinado ao áudio pode oscilar em alguma alta frequência indesejada. Então, eu adquiri o hábito de adicionar essas redes RC adicionais para afastar o Sr. Murphy. Eu acho que, independentemente de qual método seja o melhor, nem nos livra de adicionar esses bloqueios de circuito contra esses problemas. O que é pior ... indutância de traços longos ou loops de solo em planos de solo! ;
Randy

Respostas:


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Existem prós e contras para ambos.

Um plano de aterramento completo do sinal tem a vantagem de que o sinal 0V é um 0V de alta integridade e pode ser confiável, mas não quando houver correntes fluindo de algum significado. Apesar de um plano de aterramento ter impedância muito baixa, ainda podem ocorrer quedas de voltagem quando correntes significativas fluem. A quantidade de volt voltando a ser um problema depende inteiramente do menor sinal que você deseja amplificar.

Um sistema de ponto estrela evita as "correntes significativas" mencionadas no parágrafo anterior, garantindo que as faixas transportem sinais (faixas de retorno de 0v) não compartilhem com essas correntes significativas. O lado negativo é que você acaba com laços magnéticos que podem ter voltagens induzidas umas das outras e a "corrente significativa" que flui em uma trilha diferente pode ser acoplada.


Bem, eu aprecio isso. Seu pensamento reflete o meu, e eu tenho um pouco de história lá. Agora vamos considerar um caso em que a maioria das referências de base são referências puras com corrente mínima. Como a entrada + de um amplificador OP que faz referência à terra virtual através de 1 meg ohm. E vamos assumir ainda que é um circuito de baixa corrente geral, onde todos os ganhos são ganhos de tensão (não de energia). Você diria que isso importa mesmo nesse ponto? E o que dizer de uma abordagem híbrida ... onde essas referências puras estão ligadas a um avião, mas todos os verdadeiros retornos de sinais usavam traços isolados de volta à origem da fonte terrestre?
Randy

Também posso ver que, sendo confinado a duas camadas, e usando um vazamento de cobre no lugar de um plano sólido, a necessidade de colocar alguns traços no lado "vazamento" deve ser minimizada. No meu segundo exemplo, já posso ver onde me atirei no pé, forçando as correntes terrestres entre o lado inferior direito e o lado esquerdo do quadro a ter que contornar esses longos traços perto do meio. Desde então, adicionei algumas vias para redirecionar tudo isso para a camada superior, para fazer meu cobre derramar um passo mais perto de um plano de terra.
Randy

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Desculpe por reviver o antigo (tipo de) segmento, mas o OP (e outros leitores também) pode achar este documento interessante:

http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5450

Pelo que entendi no documento acima, deve-se distinguir entre as correntes de frequência alta (1MHz e acima) e baixa (1MHz e baixa), pois elas possuem diferentes caminhos de corrente de retorno. Portanto, um plano de aterramento sólido / único pode ser usado desde que os traços que transportam sinais de diferentes frequências sejam agrupados (ou seja, sinais de alta frequência com outros sinais de alta frequência de um lado e sinais de baixa frequência juntamente com outros sinais de baixa frequência do outro lado) )


Interessante e obrigado. Eu direi que em projetos de sinais mistos que fiz, como o artigo descreve, eu sempre tentei usar planos de terra divididos para áreas de escavação e audição. Até agora, obtive bons resultados, mas, novamente, raramente trabalho com ganhos muito altos, e meu trabalho analógico está no domínio do áudio. Além disso, optei por planos de terra simples em vários designs de áudio desde o meu post, e as placas foram bem comportadas. Como todos os meus pontos de referência carregam corrente zero próxima, suponho que isso não importe muito. Suspeito que muitos dos argumentos args de padrão de estrela sejam os mais críticos para protótipos de pranchas perf prendidas à mão.
Randy
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