Quando usar recortes no plano do solo?

Estive lendo mais sobre técnicas adequadas de aterramento e usando planos de aterramento.

Pelo que li, os planos de terra fornecem uma grande capacitância com camadas adjacentes, uma dissipação de calor mais rápida e reduzem a indutância do solo.

A única área em que estou particularmente interessado é a capacitância parasita / parasita criada. Pelo que entendi, isso é benéfico para traços de energia, mas potencialmente prejudicial para as linhas de sinal.

Li algumas sugestões sobre onde colocar planos de solo sólidos e fiquei pensando se essas são boas recomendações a serem seguidas e o que constituiria uma exceção a essas sugestões:

1. Mantenha o plano de aterramento sob traços / planos de força.
2. Remova o plano de aterramento das linhas de sinal, principalmente das linhas de alta velocidade ou de qualquer linha suscetível à capacitância perdida.
3. Use os anéis de proteção de terra adequadamente: Ao redor das linhas de alta impedância com um anel de baixa impedância.
4. Use planos de aterramento locais (o mesmo vale para linhas de energia) para subsistemas / CIs e, em seguida, amarre todos os aterramentos ao plano de aterramento global em 1 ponto, de preferência próximo ao mesmo local em que o aterramento e as linhas de energia locais se encontram.
5. Tente manter o plano de terra o mais uniforme / sólido possível.

Existem outras sugestões que devo levar em consideração ao projetar o terreno / potência de uma PCB? É típico projetar primeiro o layout de energia / terra, primeiro os layouts de sinal ou são feitos juntos?

Também tenho algumas perguntas sobre o nº 4 e aviões locais:

1. Eu imaginaria que conectar os planos terrestres locais ao plano global poderia envolver o uso de vias. Vi sugestões em que várias pequenas vias (todas aproximadamente no mesmo local) são usadas. Isso é recomendado em uma única via maior?
2. Devo manter os aviões terrestres / de potência globais abaixo dos aviões locais?

2) Eu recomendo CONTRA o corte de terra em qualquer lugar perto de sinais de alta velocidade. A capacitância dispersa realmente não tem muito efeito sobre a eletrônica digital. Normalmente, a capacitância dispersa mata você quando age para criar um filtro parasitário na entrada de um amplificador operacional.

De fato, é altamente recomendável executar seus sinais de alta velocidade diretamente acima de um plano de terra ininterrupto ; isso é chamado de " microstrip ". A razão é que a corrente de alta frequência segue o caminho de menor indutância. Com um plano de terra, esse caminho será uma imagem espelhada do rastreamento do sinal. Isso minimiza o tamanho do loop, que por sua vez minimiza o EMI irradiado.

Um exemplo muito impressionante disso pode ser visto no site do Dr. Howard Johnson. Veja as figuras 8 e 9 para um exemplo de corrente de alta frequência seguindo o caminho de menor indutância. (caso você não saiba, o Dr. Johnson é uma autoridade em integridade de sinal, autor do muito elogiado "Design Digital de Alta Velocidade: Um Manual de Magia Negra")

É importante observar que qualquer corte no plano de terra embaixo de um desses sinais digitais de alta velocidade aumentará o tamanho do loop, porque a corrente de retorno deve fazer um desvio ao redor do seu recorte, o que também aumenta as emissões. Você quer um plano totalmente ininterrupto sob todos os seus sinais digitais. Também é importante observar que o plano de potência também é um plano de referência, assim como o plano de terra, e, de uma perspectiva de alta frequência, esses dois planos são conectados via capacitores de derivação, para que você possa considerar uma corrente de retorno de alta frequência para "pular" aviões perto das tampas.

3) Se você tem um bom plano de terra, não há praticamente nenhuma razão para usar um traço de guarda. A exceção seria o amplificador operacional que mencionei anteriormente, porque você pode ter cortado o plano de terra embaixo dele. Mas você ainda precisa se preocupar com a capacitância parasitária de um traço de guarda. Mais uma vez, o Dr. Johnson está aqui para ajudar com imagens bonitas .

4.1) Acredito que várias vias pequenas terão melhores propriedades de indutância, uma vez que são paralelas, contra uma grande via ocupando aproximadamente a mesma quantidade de espaço. Infelizmente, não me lembro do que li que me levou a acreditar nisso. Eu acho que é porque a indutância de uma via é linearmente inversamente proporcional ao raio, mas a área da via é quadraticamente diretamente proporcional ao raio. (fonte: Dr. Johnson novamente ) Aumente o raio de via duas vezes maior, e ele tem metade da indutância, mas ocupa 4x a mesma área.

No que diz respeito à conexão de planos de terra locais ao plano de solo global, é melhor usar várias pequenas vias, pois isso ajudará a distribuir a corrente e também a taxa de falha do PCB será minimizada, além de proporcionar melhor dissipação de calor.

Não há mal nenhum em manter os planos terrestres / de potência globais abaixo dos planos locais, como se você observasse projetos de PCB multicamada, é o que se segue.

Cuidado para não definir livremente a alta frequência.

Os efeitos da linha de transmissão, que requerem técnicas de microfita ou tira de linha, valem a pena considerar quando o comprimento da linha é 1/100º ou maior da maior frequência de preocupação do sinal (Ulaby). Portanto, isso é útil para projetos de microondas. Por exemplo, uma forma de onda de 1 GHz no ar tem um comprimento de 30 cm, no entanto, no FR-4, ela tem cerca da metade disso (sqrt de epsilon r, permissividade relativa, para FR-4 é aproximadamente 4, dependendo da composição). Portanto, um traço de alguns centímetros de comprimento definitivamente preocuparia 1GHz.

Para 10 MHz, os efeitos da linha de transmissão são quase imperceptíveis. O quinto harmônico de 10MHz é 50MHz e no FR-4 isso seria de cerca de 150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3 metros. Assim, em um ônibus de 30 cm de comprimento, pode-se experimentar o início da distorção de fase.

A verdadeira preocupação é o barulho. Ao colocar um traço de largura suficiente sobre um plano de terra, a energia do sinal se propaga através do substrato entre o traço e o plano de terra (Poynting). E a EMI de outras fontes não pode entrar.

As linhas de microfiltragem têm impedância característica, que é determinada pela largura do traço e espessura e material do substrato; traços mais finos têm maior impedância característica. A impedância do ar livre é de 377 ohms. À medida que o Zo de um traço se aproxima dessa figura, ele começa a irradiar. Mesmo com um plano de terra. Da mesma forma, o espessamento do substrato tem o mesmo efeito. Observe que, ao trabalhar em alta frequência, a impedância é a chave ... terminação, correspondência ... um barramento suficientemente longo terá reflexos mensuráveis ​​se não terminar corretamente.

No entanto, com designs densos, surge a necessidade de traços finos. Então, comprometa alguma coisa.

Para manter a impedância da linha de microdestruição inalterada por um slot do plano de terra, o slot deve estar localizado a pelo menos duas larguras de microstrip de distância (se a microstrip for projetada verticalmente no plano de solo).

Abaixo estão várias fotos de um solucionador de campo 3D mostrando a distribuição do campo elétrico dentro da microtrip e a densidade de corrente no plano do solo. A conclusão é que quase não há campo ou corrente a duas larguras de distância da microtrip. Portanto, quebras de avião no solo são permitidas aqui.

Figura 1: Seção transversal do campo elétrico perpendicular ao stripline. Vista 2D. Figura 2: Seção transversal do campo elétrico perpendicular ao stripline. Visualização em 3D. Figura 3: Densidade de corrente no plano de terra. Vista 2D Figura 4: Densidade de corrente no plano de terra. Vista 3D