Devo realmente dividir o plano de terra em partes analógicas e digitais?

Estou prestes a projetar meu primeiro PCB como parte do meu projeto de graduação. Obviamente, como o primeiro passo, tento aprender o máximo possível. Uma parte da pesquisa que encontrei neste artigo de 3 partes , sugere que não é necessário e, em alguns casos, é até prejudicial dividir o plano de base em parte analógica e digital, o que contradiz o que eu aprendi com o prof. Também li todos os tópicos deste site relacionados aos planos de solo / derramamentos. Embora a maioria concorde com o artigo, ainda existem algumas opiniões que defendem o plano do solo dividido. por exemplo

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

Como iniciante em design de PCB, acho confuso e difícil decidir quem está certo e qual abordagem adotar. Então, devo dividir o plano de terra em partes analógicas e digitais? Quero dizer divisão física, com um corte de PCB ou com polígonos separados para DGND e AGND (não conectados ou conectados em um ponto)

Talvez para permitir que você faça uma recomendação adaptada ao meu PCB em potencial, conto a você.

O PCB será projetado na versão gratuita do Eagle => 2 camadas

O PCB é para teste e medição precisa (corrente e tensão) de baterias de lítio. A placa deve ser controlada pelo Raspberry Pi pela interface digital (GPIO / SPI (40 kHz)). Haverá 3 conversores de dados a bordo (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) e conectores para um módulo RTC pré-construído no lado digital. A energia analógica vem da fonte de alimentação regulada externa sobre o regulador de tensão LT3042 integrado (5,49 V). Além disso, há uma referência de tensão LT6655B 5 V. A parte analógica é essencialmente um circuito DC, o único HF realmente é o relógio mestre interno de 16 MHz do ADC.

O Digital 3.3 V (principalmente para alimentar as interfaces digitais) será fornecido pelo Raspberry PI. Assim, haverá duas conexões de aterramento: fonte de alimentação externa e interface digital do Raspberry Pi.

Nessa conexão, outra pergunta: referindo-se à Figura 3 , como posso garantir que as correntes de retorno das interfaces digitais fluam para a conexão de aterramento correta (lembre-se de que tenho duas delas)?

Preocupação adicional: o circuito de distribuição de energia poderia interferir nas medições sensíveis? Eu os separava direcionando a energia na camada inferior, mas isso não é mais uma boa ideia no caso do plano monolítico do solo

E enquanto ainda estou perguntando: supondo um plano de aterramento mais ou menos monolítico na parte inferior e uma camada de sinal / componente na parte superior, qual é a melhor maneira de conectar o lado negativo dos capacitores de desvio ao plano de aterramento?

Você precisa pensar em termos de impedância compartilhada (não resistência, realmente impedância).

Considere as partes do circuito que usam GND como uma referência 0V para fins analógicos sensíveis. Obviamente, você deseja que cada uma dessas "referências 0V" tenha o mesmo potencial "0V". No entanto, a corrente que passa pelo plano GND introduzirá uma tensão de erro extra em cima do "0V" de cada chip.

Agora desenhe um esquema do seu GND, com as correntes passando por ele.

Se você não dividir o plano, mas tiver altas correntes passando por ele, porque coloca o conector de entrada de energia no lado esquerdo, o conector de saída de energia no lado direito e os bits analógicos super sensíveis no meio, então você pode ter um problema devido ao fluxo de alta corrente no GND e à criação de um gradiente de tensão.

Dependendo da frequência, considere a impedância (ou seja, indutância, não apenas resistência).

Agora, existem várias soluções para isso.

• Você pode colocar os conectores de energia em locais mais razoáveis ​​(por exemplo, entrada de energia próxima à saída de energia) para que as correntes altas não viajem no seu avião GND. Isso se aplica a todos os loops de corrente que carregam correntes di / dt grandes, barulhentas ou altas, como os loops internos de um DCDC ou os loops entre ele e sua carga (por exemplo, uma CPU) ou mesmo o caminho de terra entre uma tampa de desacoplamento e o chip que desacopla.

Certifique-se de saber onde estão esses loops! Encomende-os por problemas (aproximadamente "área * di / dt" para CA ou "área * I" para CD). A colocação é essencial. Um bom posicionamento com loops de corrente apertados torna o layout muito menos uma dor de cabeça.

• Você pode usar amplificadores diferenciais e ADCs que ignoram o ruído do modo comum.

Isso é obrigatório se a tensão detectada estiver em um desvio de corrente do lado alto. Agora, digamos que você use um amplificador de sentido atual, por exemplo. Não se esqueça de que tensão está no pino de "referência de saída" (geralmente chamado de "GND") é adicionado diretamente à saída ... portanto, não coloque o amplificador de sentido entre dois MOSFETs com o pino "GND" no meio do motor " retorno atual "caminho ...

• Você também pode dividir o avião, mas precisa decidir onde o dividirá. E (é aqui que as coisas ficam desagradáveis), onde você une suas duas terras na CC (ou em altas frequências se usar isoladores ...

Vamos nomear seus dois motivos AGND e PGND (analógico e de potência). Alguns dizem para se separar e ingressar no AGND / PGND ou AGND / DGND no ADC. Isso significa que qualquer corrente que circule entre AGND e PGND deve fluir no elo de terra sob o ADC agora, que é o pior local possível.

Uma solução que faz muito sentido é a "divisão oculta". A colocação é essencial. Por exemplo, você coloca os itens de energia / ruído à direita e os sensíveis à esquerda. Você coloca suas tampas de desacoplamento para que os loops de correntes de fornecimento que atravessam o GND sejam curtos e bem posicionados. Então, como sua placa possui duas zonas bem definidas, você pode afinar a largura do plano de aterramento conectando-as, para garantir que altas correntes não circulem no solo dos bits sensíveis.

É muito visual e difícil de explicar, e é essencial colocar seus conectores corretamente.

Estes tutoriais são bons: https://learnemc.com/emc-tutorials

A simples introdução do SLITS no plano GND pode ser suficiente para manter em grande parte o lixo digital / de energia / de relé / motor fora das delicadas áreas analógicas. [EDIT 9 de junho Mostrou que uma região estreita alcançará uma atenuação de 12dB / quadrado. EDIT Junho de 2019 Lembre-se de cortar também o Power Plane (sugerido por barleyman)]

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

O que podemos prever sobre o posicionamento da fenda versus o ponto de entrada e saída de corrente intrusiva?

^{simule este circuito}

O que esperar, conforme a fenda se intromete nas correntes?

^{simule este circuito}

Tínhamos aproximadamente 40 microvolts / quadrado ao longo da borda inferior do PCB, assumindo 0,0005 Ohms / quadrado. Podemos estimar a queda de tensão I * R, causada por ONE AMPERE no canto superior direito da PCB, ao longo da extremidade inferior da PCB dentro da região analógica, como simplesmente

Slit_Atten = comprimento da fenda / comprimento do loop inteiro dentro da região sensível

A queda de tensão na parte inferior (por quadrado) é

Tensão através da fenda * Slit_Atten

Matemática: a fenda é de 4 quadrados, portanto 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten é de 4 quadrados / 20 quadrados (periferia do loop inteiro) = 20%.

A queda per_square I * R é de 160uV * 20% = 32 uV.

Isso mostra o valor de usar apenas regiões NARROW entre digital / ruído e analógico.

Aqui está outra maneira de cortar.

^{simule este circuito}

Tensão por quadrado em que os OpAmps precisam de GND silencioso = 32 uVolts, por quadrado. Não é muito quieto. O que fazer?

1) corte ainda mais a fenda nos planos; agora em 80%, vá para 95% e provavelmente obterá uma melhoria exponencial na quietude; execute o SPICE sim e veja como

2) faça a fenda ----- não estreita ---- mas profunda, como esta

^{simule este circuito}

O que podemos prever sobre a atenuação das fendas "L"? Acontece que podemos prever uma atenuação de 12 dB por quadrado da região reduzida. Aumentamos o zoom e vemos isso

^{simule este circuito}

A chave real é a SEMPRE a colocação, faça isso de forma inteligente e qualquer uma das configurações pode funcionar para algo assim, entenda tudo muito errado e não apenas a placa será muito difícil de rotear, mas também será difícil obter a precisão desejada.

Aviões sólidos governam quando você tem coisas rápidas acontecendo, sempre que você tem taxas de borda na região de poucos ns (a taxa de clock não importa, as taxas de borda fazem), você quer um plano sólido sob pelo menos essa região, geralmente eu faço um plano sólido no primeiro protótipo todas as vezes e mexa com ele mais tarde, se não conseguir o que quero (geralmente não preciso alterá-lo).

Agora, no seu caso, a precisão da CC é importante, e geralmente essas coisas são melhor executadas com detecção diferencial (decida quais os dois pontos em que você deseja medir a tensão entre e meça essa tensão, e não o relativo a algum plano).

Só porque você tem um plano, não significa que você precisa se conectar a ele em pontos arbitrários, por exemplo, você pode retornar a extremidade 'aterrada' de um resistor em um amplificador diferencial ao plano no mesmo ponto da entrada dos estágios anteriores. resistor divisor, garantindo assim que eles veem a mesma voltagem, as bases hierárquicas são uma coisa boa, mas as regras de medição diferencial para essas coisas.

5.49 parece otimista para mim, abs max não é o lugar que você quer estar.

Os desacopladores geralmente vão diretamente para o avião.

Se você decidir dividir planos, deverá assegurar-se de que haja uma conexão contínua sob a área em que as linhas de controle passam entre os dois, nunca execute nenhum traço sobre uma divisão no plano.

Dadas suas baixas velocidades, não se esqueça de que você pode experimentar demais, e que a dizimação aumenta o tamanho efetivo da palavra.

Algumas notas sobre isso. Como outros já apontaram, os loops atuais não são seus amigos. Você deve estar ciente de seus circuitos de alta potência / alta velocidade e onde a energia é fornecida a eles. Qualquer coisa entre esses dois pontos está diretamente no campo de fogo, não coloque seus ADCs de 16 bits entre o conversor de impulso e os LEDs controlados por PWM de alta potência.

Divisões ou fossos em planos terrestres podem ser benéficos, mas envolvem-se rapidamente. A coisa mais importante a lembrar é: NUNCA CRUZU UMA DIVISÃO NO PLANO COM UMA LINHA DE SINAL DE ALTA VELOCIDADE / SENSÍVEL . Suas linhas de sinal precisam de um caminho atual de retorno próximo a elas. Portanto, se você criar uma ferradura em torno de um ADC, também precisará encaminhar todos os sinais em torno desse fosso. Se você absolutamente precisar atravessar uma divisão, poderá usar um capacitor local para conectar planos GND separados, mas estará derrotando o objetivo do fosso em primeiro lugar. Presumindo que você tenha uma placa de várias camadas, mas seria muito menos doloroso apenas não fazer isso. Troque as camadas antes da divisão para outro plano que tenha um plano de referência uniforme. NBisso não se aplica a sinais / cargas de corrente contínua ou baixa frequência. Eles estão felizes o suficiente para seguir o caminho de menor resistência ao redor do fosso. Não esqueça que você precisa combinar divisões em planos GND com divisões correspondentes em planos de potência!

Para tornar isso mais complicado, isso se aplica ao plano de referência, ou seja, plano de aterramento próximo à camada de sinal. Se você tiver 8 camadas ou mais, não importa o que está no plano L2 se o seu circuito sensível estiver no L8. Você também pode usar o plano de energia como referência, mas muitas vezes hoje em dia há vários planos de energia (5V, 3,3V, 1,8V, 1,2V, -5V, qualquer que seja), para que o circuito incorreto possa ser referenciado apenas ao plano de energia origina-se de ... Fazer referência a um plano de 1,8V PHY a 3,3V não funcionará. A menos que, você saiba, forneça novamente aquelas tampas de costura entre os planos.

Eu fiz um circuito multiplex ADC de alta velocidade que alcançou um nível de ruído praticamente zero (~ 0,6 unidade ADC) dividindo VCC e VCCA mais GND e AGND. Mas eu sei o que estou fazendo e passei um tempo mapeando religiosamente as linhas analógicas e criando "ilhas" de cobre relacionado na próxima camada e assim por diante. Na maioria das vezes, eu apenas mantenho todos os motivos juntos e ligo para os loops atuais.

A mudança de camadas também conta como uma divisão no avião, portanto você deve ter um GND correspondente (s) nas proximidades, para que a corrente de retorno de alta velocidade não precise fazer desvios extras.

Nota final : a corrente de retorno segue o caminho de menor resistência. Para frequências baixas, é a rota de cobre sólido mais curta disponível que pode não seguir o seu rastreio de sinal / potência. Para frequências mais altas, fica ao lado do sinal de direção, à medida que a separação aumenta a impedância. É por isso que cruzar os aviões termina em lágrimas quando você cria descontinuidade que resulta em reflexões, frequências de RF irradiadas, perda de integridade do sinal, chuva de sapos e assim por diante.

Você pode separar completamente a energia e o terra para analógico e digital. Use conversores DC-DC isolados e opto-isolamento para a interface digital entre os dois.