Warum genau wird davon abgeraten, die Masseebene mit einer Lücke zu versehen?

Von Zeit zu Zeit höre (und lese) ich, dass es nicht gut ist, getrennte Gnd-Ebenen für digitale und analoge Schaltungsteile zu machen. Das alles lässt sich in dieser Faustregel zusammenfassen: "Teile die Gnd-Ebene nicht, mache keine Lücken darin." Normalerweise kommt dies ohne klare Erklärung.

Am nächsten kommt mir dieser Link: http://www.hottconsultants.com/techtips/tips-slots.html . Der Autor weist darauf hin, dass Rückströmungen sich um die Lücke biegen, so dass die Oberflächenbereiche der Strömungen groß werden (Grenzen dieser Oberflächenbereiche werden durch „abgehende“ und „zurückkehrende“ Strömung definiert):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Rückströme der verschiedenen Signale werden an den Ecken der Lücke zusammengedrückt, was zu Übersprechen führt. Die größere Oberfläche der Stromschleifen emittiert und nimmt EMV auf.

So weit, ist es gut. Ich verstehe, dass keine Signale über eine solche Lücke geleitet werden sollten. Angenommen, Sie beachten diese Regel, wäre es immer noch schlecht, Lücken in der Gnd-Ebene zu machen (z. B. eine Trennung zwischen analogen und digitalen Schaltungsteilen)?

Dies ist ein ziemlich oft diskutiertes Thema, bei dem bestimmte Leute sich sehr darüber einig sind, was Sie tun und was nicht tun sollten (Gründe trennen oder nicht trennen usw.). Denken Sie daran, dass dies auch davon abhängt, was Sie tun möchten. Beispielsweise möchten Sie bei einer stabilen Spannungsreferenz in der Regel eine Art Sternerdung, damit keine Rückströme von anderen Quellen auftreten und Ihre Werte verschieben können. Ein paar uV können ausreichen, wenn Sie es mit 10 ppm bei einer Genauigkeit von wenigen Volt zu tun haben.
Vielen Dank @JorenVaes . Wenn Sie "irgendeine Form von Sternerdung" erwähnen, wie erreichen Sie das praktisch? Ich meine, wie kann man einen Sternboden mit soliden Bodenebenen machen?
Indem ich keine feste Grundplatte verwende, denke ich. Ich bin kein Experte auf diesem Gebiet und beschränke mich normalerweise auf analoge Leiterplatten, die keine festen Masseebenen verwenden.
Ist Ihnen klar, dass Sie eine planare Schlitzantenne gezeichnet haben ? Antennen strahlen ab, was Sie möglicherweise nicht möchten, und empfangen Störungen, die Sie möglicherweise nicht möchten. Ein weiterer Link .
Sehr interessierte Bemerkung @EricTowers , das war mir eigentlich nicht klar :-)
CQ DX CQ DX von ZL1 ...

Antworten (4)

Hochfrequente Rückströme wollen aufgrund der Induktivität den Hinströmen folgen.

Wenn Sie die Rückströme zwingen, einen anderen Weg einzuschlagen, passieren ein paar schlechte Dinge.

  1. Sie erstellen eine Schleife, die magnetische Störungen empfangen und übertragen kann.
  2. Sie führen eine zusätzliche Induktivität in den Signalpfad ein, die die Signalintegrität verringern kann.

Beachten Sie, dass digitale Signale mit schnellen Flanken starke Hochfrequenzspitzen erzeugen können, selbst wenn die Schaltrate niedrig ist.

Beachten Sie auch, dass der nach außen gerichtete Pfad möglicherweise nicht immer nur Spuren umfasst, sondern sich möglicherweise innerhalb einer Komponente befindet. Selbst wenn eine Komponente separate analoge und digitale Strom- und Erdungsstifte hat, werden wahrscheinlich einige Signale die Grenze innerhalb des Chips überschreiten.

OTOH-Ströme nehmen bei niedrigen Frequenzen Pfade, die ursprünglich durch den Widerstand bestimmt werden. Daher kann das Teilen von Ebenen eine nützliche Technik sein, um den Weg der Rückströme zu beeinflussen und eine gemeinsame Impedanz zu vermeiden.

Wenn Sie genau eine Stelle haben, an der Signale die Mixed-Signal-Grenze überschreiten, ist das Aufteilen der Ebene sehr sinnvoll, da dies dazu führt, dass analoge Rückströme auf der analogen Seite und digitale Rückströme auf der digitalen Seite bleiben.

Wenn Sie mehrere Stellen haben, an denen Signale die Mixed-Signal-Grenze überschreiten müssen (dh mehrere ADCs, mehrere analoge Schaltchips usw.), werden die Vorteile der Aufteilung viel fragwürdiger. Jeder Mixed-Signal-Chip benötigt eine Verbindung zwischen den beiden Ebenen, aber wenn Sie mehrere Verbindungen zwischen den Ebenen herstellen, verlieren Sie viele der Vorteile einer Aufteilung.

Ich danke Ihnen sehr. Angenommen, ich habe nur einen ADC, der die Lücke überquert. Wo genau soll ich die AGND- und DGND-Ebenen anschließen? Auf dieser Seite ( electronics.stackexchange.com/questions/306862/… ) habe ich gelesen: „Nennen wir Ihre beiden Gründe AGND und PGND (Analog und Leistung). Einige sagen, man solle sich trennen und AGND/PGND oder AGND/DGND unter dem ADC beitreten. Das bedeutet, dass jeder Strom, der zwischen AGND und PGND fließt, jetzt in der Masseverbindung unter dem ADC fließen muss, was der denkbar schlechteste Ort ist.“ Ich bin mir aber nicht sicher, ob diese Aussage richtig ist.

Die Begründung ist sehr ähnlich dem Trend weg von der Trennung von Digital & Analog. Es geht um Rückstrom

Es gab tatsächlich einen Trend weg von geteilten Masseebenen und stattdessen eine Konzentration auf die Platzierungstrennung UND die Berücksichtigung des Rückstrompfads.

  • Teilen Sie die Masseebene nicht, sondern verwenden Sie eine durchgehende Ebene unter den analogen und digitalen Abschnitten der Platine
  • Verwenden Sie großflächige Erdungsebenen für Stromrückpfade mit niedriger Impedanz
  • Halten Sie über 75 % Platinenfläche für die Grundebene
  • Separate analoge und digitale Stromversorgungsebenen
  • Verwenden Sie solide Grundplatten neben Stromversorgungsplatten
  • Platzieren Sie alle analogen Komponenten und Leitungen über der analogen Stromversorgungsebene und alle digitalen Komponenten und Leitungen über der digitalen Stromversorgungsebene
  • Verlegen Sie Leiterbahnen nicht über die Teilung in den Stromversorgungsebenen, es sei denn, Leiterbahnen, die über die Teilung der Stromversorgungsebene verlaufen müssen, müssen sich auf Schichten befinden, die an die feste Masseebene angrenzen
  • Überlegen Sie, wo und wie die Erdrückströme tatsächlich fließen
  • Partitionieren Sie Ihre Leiterplatte mit separaten analogen und digitalen Abschnitten
  • Bauteile richtig platzieren

Mixed-Signal-Design-Checkliste

  • Partitionieren Sie Ihre Leiterplatte mit separaten analogen und digitalen Abschnitten.
  • Bauteile richtig platzieren.
  • Spreizen Sie die Partition mit den A/D-Wandlern.
  • Teilen Sie die Masseebene nicht. Verwenden Sie eine durchgehende Ebene unter den analogen und digitalen Abschnitten der Platine.
  • Führen Sie digitale Signale nur im digitalen Bereich der Platine. Dies gilt für alle Schichten.
  • Führen Sie analoge Signale nur im analogen Bereich der Karte. Dies gilt für alle Schichten.
  • Separate analoge und digitale Stromversorgungsebenen.
  • Leiten Sie keine Leiterbahnen über die Teilung in den Leistungsebenen.
  • Leiterbahnen, die über die Teilung der Stromversorgungsebene gehen müssen, müssen sich auf Schichten befinden, die an die feste Masseebene angrenzen.
  • Überlegen Sie, wo und wie die Erdrückströme tatsächlich fließen.
  • Verwenden Sie Routing-Disziplin.

Denken Sie daran, dass der Schlüssel zu einem erfolgreichen PCB-Layout die Partitionierung und die Verwendung von Routing-Disziplin ist, nicht die Isolierung von Masseebenen. Es ist fast immer besser, nur eine einzige Referenzebene (Masse) für Ihr System zu haben.

(aus den unten stehenden Links zur Archivierung eingefügt)

www.e2v.com/content/uploads/2014/09/Board-Layout.pdf

http://www.hottconsultants.com/pdf_files/june2001pcd_mixedsignal.pdf

Ich danke Ihnen sehr. Sehr interessante Antwort. Ihr Rat zu den Gnd- und Power-Planes lautet also: Erstellen Sie eine solide Gnd-Plane für die gesamte Platine und zwei separate Power-Planes - eine für den digitalen und eine für den analogen Teil. Rechts?
ja schon. Der Schlüssel liegt darin, beim Layout für alles an Rückströme zu denken
Was ist mit dem Routing eines Trace für jeden einzelnen Rückstrom? Ich versuche das gerade bei meinem Design - eine Art Test ;-)
Sie beeinträchtigen den Massedurchgang. Manchmal ist dies erforderlich (ich suche nach einer Anzeige für die Phasenstrommessung), aber dies ist die Ausnahme, nicht die Norm. Denken Sie an die Feldstärke des Rückstroms
Was meinen Sie mit "Sie beeinträchtigen den Massedurchgang" und "erinnern Sie sich an die Rückstromfeldstärke"?
Solange Sie nicht versuchen, die Haupt-GND-Ebene herauszuarbeiten, um diese "Rückkehr-Erdungsspuren" zu erstellen, ist das nächste Problem ... Sie erhöhen den Abstand der Hauptspur von GND, ES SEI DENN, diese "Erdrückleitungsspur". breiter als die Rückstromstreuung. schau dir mal den 2ten link an. Grundsätzlich, es sei denn, das interessierende Signal geht in einen Bereich, den der gnd-Platz nicht abdeckt (Isolationsbedenken ...), bietet das Hinzufügen zusätzlicher gnd-Spuren für die Rückkehr keinen zusätzlichen Vorteil, wenn Sie die zusätzliche Komplexität des Layouts berücksichtigen.

Die oberste Priorität ist es, die Dinge an der richtigen Stelle auf Ihrem Board zu platzieren.

Wenn Sie beispielsweise den Stromeingangsanschluss links, die Motorsteuerung und ihre Ausgangsanschlüsse rechts und die empfindlichen analogen Bits in der Mitte haben, haben Sie einen schlechten Start hingelegt.

Platzieren Sie den Stromanschluss besser direkt neben den Hochstromausgängen, wodurch hohe Ströme natürlich und auf eine Weise fließen können, die Ihre Arbeit erleichtert.

Die beste IMO ist auch, geteilte Ebenen (AGND, DGND) zu verwenden, dann alle Komponenten auf der entsprechenden Ebene zu platzieren und dann am Ende ... die Teilung zu entfernen und sie in eine solide Grundebene zu verwandeln. Dies zwingt Sie zu einer guten Platzierung.

Im Übrigen ist diese Frage mehr oder weniger dieselbe, ich empfehle, die Antworten zu lesen.

Ich danke Ihnen sehr. Aber warum genau würdest du die Trennung am Ende entfernen?
Wenn Sie aufteilen, fließt der gesamte Strom, der von einer Masse zur anderen fließt, an der Stelle, an der sie verbunden sind, was normalerweise der ADC ist, dh an der ungünstigsten Stelle, an der dies passieren kann!
Stellen Sie sich den ADC-Chip so vor: Der analoge Teil besteht aus einigen Eingängen, der digitale Teil ist der SPI-Bus. Die Rückströme vom SPI-Bus fließen zurück zum ADC-Chip. Sie könnten also von DGND in AGND übergehen, aber selbst das sollte nicht passieren, wenn das Layout gut ist. Welche anderen Strömungen würden von DGND in AGND übergehen? (Ich kritisiere Ihre Antwort nicht. Ich stelle diese Frage wirklich, weil ich lernen möchte ;-)
Jeder Gleichtaktstrom, der von den an Ihre Platine angeschlossenen Kabeln kommt, oder ESD-Schlag, kapazitive Kopplung zwischen der Platine und nahegelegenen metallischen Gegenständen, viele Möglichkeiten ...
Ja, du hast Recht. Wie sieht es mit den Motorflugzeugen aus? In seiner Antwort rät Herr @JonRB, eine einzige Gnd-Ebene zu verwenden, aber separate Stromversorgungsebenen für die digitalen und analogen Teile. Wo soll man sie anschließen?
Zu den Kabeln: Idealerweise möchten Sie alle Anschlüsse auf einer Seite der Platine haben, damit Gleichtaktströme auf dieser Seite in der Ebene und nicht durch die gesamte Platine fließen. Dies ist, als hätte man eine metallische Rückplatte auf der Rückseite Ihres Gehäuses, an der alle Anschlüsse und Kabelschirme angeschlossen sind. In diesem Fall erreichen Gleichtaktströme die Platine gar nicht.
Das ist ein toller Rat!
Verbinden Sie Leistungsebenen wie AVCC und DVCC nicht, Sie würden einen Filter wie eine Ferritperle dazwischen setzen oder sogar separate Regler verwenden, viele Optionen. DVCC ist verrauscht, und das Rauschen sollte sich nicht auf analoge Netzteile ausbreiten.
Guter Punkt, den du da ansprichst

Dies ist ein schwieriges Thema, oft mit widersprüchlichen Informationen. Ein gängiges Beispiel dafür ist die Kupferverlegung für Analog-Digital-Wandler. Oft schreiben die Datenblätter vor, den analogen Ground Return vom digitalen Teil getrennt zu halten und sie nur an einem Punkt zusammenzubinden. Die Datenblätter geben oft an, dass die angegebene Genauigkeit nur erreicht werden kann, wenn der Chip auf diese Weise geerdet ist.

Wenn die gesamte Platine ein AtoD-Chip wäre, wäre dies einfach, aber wenn Sie anfangen, DtoAs, Operationsverstärker, Komparatoren und digitale Schaltungen zu mischen, wird dies schnell unpraktisch.

Ich werde nicht wiederholen, was andere über gute Layout-Praktiken gesagt haben. Ähnlich wie bei parallel geschalteten Widerständen fließt der Strom auf dem Weg des geringsten Widerstands. Bei hoher Frequenz kann die Induktivität von Platinen eine erhebliche Reaktanz beitragen. Der Weg der geringsten Reaktanz für den Rückstrom wäre direkt unter der Signalspur in der Masseebene.

Wenn es Lücken in der Masseebene gibt, muss der Rückstrom einen längeren Weg zurück zur Quelle zurücklegen, was zu einer größeren Schleife und einer höheren Induktivität führt.

Für ausführlichere Informationen zu diesem Thema empfehle ich Elektromagnetische Kompatibilitätstechnik von Henry W. Ott. Es ist die Bibel auf EMC.

Warum genau wird davon abgeraten, die Masseebene mit einer Lücke zu versehen?
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