Rauschen durch unsachgemäße Entkopplung des VDD-Pins

Ich habe zuvor eine Frage gestellt: "Funktion, die in der MCU ausgeführt wird, erzeugt Rauschen in der analogen Schaltung", aber zu diesem Zeitpunkt war die Frage nicht detailliert genug. Nach mehreren Tagen des Testens ist das Problem jetzt spezifischer.

Wenn ich eine Funktion mit einer Frequenz von 600 Hz ausführe, kann ich eine Reihe von Geräuschen beobachten (600 Hz, 1200 Hz, 1800 Hz usw.). Hier das Frequenzspektrum:

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Nach einigen Tests denke ich, dass es an der unsachgemäßen Entkopplung der V DD des Mikrocontrollers liegt. Aber ich bin mir nicht sicher. Ich habe noch einen Test gemacht. Ich habe festgestellt, dass das Rauschen abnimmt, wenn die Kondensatoren (innerhalb der roten Kreise) ihren Wert von 0,1 µF auf 0,01 µF ändern.

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Und das Geräusch nach dem Wechsel:

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Meine Frage ist:

Warum sollte das Rauschen nach der Änderung abnehmen? Liegt es an der unsachgemäßen Entkopplung des Mikrocontrollers? (aber 0,1 µF wird im STM32F4- Datenblatt empfohlen).

Hier ist die Platine dieser Pins und Kondensatoren:

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Ihre Beschriftungen auf den Schaltplänen scheinen DGND zu sein und auf den Leiterplattendrucken AGND, was mich wundern lässt, ob Sie tatsächlich beide Masse getrennt haben oder ob Ihr digitaler Rückstrom durch die analoge Masse fließt. Es kann nützlich sein, ein vollständiges Bild des Routings aller Ebenen zu haben.
Aus diesem Grund ist es nicht ungewöhnlich, eine Mischung aus Bypass-Kondensatoren zu haben: 0,1 uF UND 0,01 uF. Der ESR der 0,1uF-Kappen ist möglicherweise zu hoch.
Die größeren Kondensatoren koppeln möglicherweise mehr Rauschen in die analoge Schaltung und verbessern so die digitale Versorgung auf Kosten der analogen. Sie könnten diese Hypothese im Vergleich zur Hypothese mit niedrigerem Z testen, indem Sie eine Kappe mit niedrigerem Wert mit dem höheren Wert parallel schalten (sie einfach stapeln), anstatt die Kondensatoren zu wechseln.
Macht es Sinn, dass eine 0,01-uF- oder 0,1-uF-Kappe bei 600 Hz einen großen Unterschied machen sollte? Ich glaube, ich neige zu Spehros Erklärung, dass die Kopplung schlechter wird und daher weniger Rauschen von den digitalen Schaltungen auf AGND überträgt.
Könnten Sie einen Link zu Ihrer alten Frage bereitstellen? Gibt es in diesem Design auch vergrabene Strom- und Masseebenen oder werden Strom und Masse auf Gleisen geführt (ich glaube, ich sehe Gleise)?
@PlasmaHH: DGND und AGND sind gleich. Ich habe sie nicht getrennt.
@ pjc50: Aber das Schema des Discovery Boards von stm32f4 verwendet eine Mischung aus Bypass-Kappen. Und die Parallelschaltung von zwei Kappen scheint den Gesamt-ESR zu verringern, richtig?
@SpehroPefhany: Warum sollten die größeren Kappen mehr Rauschen an die analoge Schaltung koppeln?
@ThePhoton: ja. Ich habe vergessen zu erwähnen, dass die Platine 4 Schichten hat. Eine für die Stromversorgungsebene und eine für die Masseebene. Und beide sind vollflächig.
@billyzhao Je nachdem, wo und wie die Masse verbunden ist, können Spannungen über einer Masseebene oder Spur die andere beeinflussen.

Antworten (2)

Wie in den Kommentaren erwähnt:

Wenn Sie die digitalen und analogen Erdungen auf Ihrer gesamten Leiterplatte verbunden haben, vermischt sich der digitale Rückstrom glücklich mit dem analogen Rückstrom und koppelt in ihn ein, diese Spitzen haben dann einen viel größeren Einfluss auf Ihre Messungen. Wenn sich der analoge Pfad auch (teilweise) in der MCU befindet, müssen Sie natürlich hier und da ein wenig mischen, aber Sie könnten immer noch versuchen, die AGND- und DGND-Überlappung zu begrenzen.

Zweitens reduzieren sich die Spitzen, da ein 100-nF-Kondensator einen größeren äquivalenten Serienwiderstand hat, dauert es etwas länger, bis die Ladung von seinen komplexeren/längeren Platten in Ihren Chip gelangt. Der kleinere Wert hat einen niedrigeren ESR, der die MCU viel schneller mit Strom versorgt, wodurch die Spitzen viel kleiner werden. Wenn Sie an jeden VDD-Pin 100 nF und 10 nF oder sogar 4,7 nF nebeneinander legen, reduzieren Sie das gekoppelte Rauschen bei schneller interner Schaltung und bei stärkerer, aber langsamerer externer Schaltung viel besser als mit nur einem von beiden .

In einigen Fällen werden sogar 3 oder 4 verschiedene Werte verwendet, um alle Frequenzbereiche abzudecken, obwohl wir normalerweise über einzelne MHz-, Hunderter-MHz- und (nahe) GHz-Bereiche in einem einzigen Chip sprechen, wie z. B. High-End-Prozessoren, WiFi oder FPGAs wenn es 4 verschieden große Kappen auf den Power-Pins gibt.

Vielen Dank für Ihre Antwort. Aber ich habe schon früher ähnliche Leiterplatten entworfen. Jedes Mal habe ich die digitale Masse und die analoge Masse nicht getrennt. Aber ich habe ein solches Phänomen in meiner Frage noch nie gesehen. Ist es also sehr notwendig, den Boden zu trennen?
Notwendig? Nein. Sehr schlau, wenn Sie können: Ja! Der Punkt ist, dass der gesamte digitale Strom auch durch Ihre analogen Rückpfade fließt und die analoge Massespannung bei jeder Spitze "anhebt". Wenn der digitale und der analoge Strom nur getrennt zur Stromquelle zurückkehren können, können sie sich nicht gegenseitig stören.

Der +3,3 V-Anschluss sollte zum Kondensator gehen, der dann in jedem Fall direkt mit der MCU-Leitung verbunden werden sollte, wie Sie es mit C302 haben. Es sollte nicht zwischen dem Kondensator und der Leitung sein.

Diese diagonale Spur im dritten Bild sollte im rechten Winkel mit der Leitung verbunden sein. Das hat keinen Einfluss auf die Entkopplung, kann aber beim Ätzen als Säurefalle wirken. Es sieht auch hässlich aus.

Danke dir. Ich frage mich, was der richtige Winkel sein sollte? Könnten Sie ein wenig erklären?
Sie müssen nur einen spitzen Winkel vermeiden. Empfehlenswert ist eine 90 Grad (ein rechter Winkel) oder eine gerade Verbindung zum Pad oder einer anderen Spur.
Rauschen durch unsachgemäße Entkopplung des VDD-Pins
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