Was ist die beste Massetopologie für diese Mixed-Signal-Karte?

Lassen Sie uns eines absolut klarstellen: Geteilte/partitionierte Grundebenen sind niemals notwendig , aber sie können eine nützliche Technik sein, um menschliche Fehler zu mindern. Aber Sie können immer eine gleiche oder etwas bessere Leistung erzielen, indem Sie eine einzelne, ungeteilte oder geschlitzte Grundplatte und eine sorgfältige Führung Ihrer Platine verwenden.

Die meisten Mixed-Signal-Routings sind jedoch auch ziemlich unversöhnlich - ein einziger Fehler in Form einer schlecht platzierten Leiterbahn (und nicht unbedingt einer offensichtlichen Fehlplatzierung, wie eine Leiterbahn, die einen Ground-Split überquert) ist alles, was es braucht, um die analoge Leistung von komplett zu ruinieren ein Brett.

In Wirklichkeit sind Split Ground Planes also eher eine Versicherungspolice als alles andere. Sie können verhindern, dass einige der subtileren Fehler, die ein Designer in seinem Layout machen könnte, sich nur minimal auf das Board auswirken. Der Nachteil von geteilten oder partitionierten Masseebenen ist jedoch, dass Ihre Platine jetzt eine nette kleine Dipolantenne ist (und wenn Sie mehr als 2 Ebenen haben, besteht die Platine aus mehreren Dipolantennen), was berücksichtigt werden sollte. Offensichtlich verwenden viele existierende Mixed-Signal-Boards Split-Ground-Topologien, so dass in vielen, wenn nicht den meisten Fällen das aufgrund dieses parasitären Dipols aufgenommene Rauschen nicht einmal genug ist, um wirklich eine Designüberlegung zu sein. Aber es wird dazu führen, dass das Board mehr exogen abgestrahlten Müll in Ihr Grundrauschen einkoppelt,

In Ordnung, fangen wir mit dem tiefen Tauchgang an.

1. Denken Sie daran, warum Stromkreise Stromkreise genannt werden.

   Bei elektrischen Strömen ist alles eine Schleife. Es ist immer kreisförmig. Eine Schaltung. Unsere Entwurfsmethoden und abstrahierten Rahmen und Vereinfachungen der physikalischen Prozesse, die tatsächlich stattfinden, tendieren stark zu der Vorstellung, dass Masse eine unberührte 0-V-Potenzialquelle ist, auf die alle Dinge für immer und immer bezogen sind, und dass kein Strom jemals wirklich durch Masse fließt, das ist es einfach dorthin, wo unsere Kraft- und Signalströme glücklich und leise zurückkehren.

   Natürlich wissen wir es besser. Wir wissen, dass jeder andere Punkt einer Erdungsebene, jede andere Verbindung zur Erde, sobald Strom fließen darf, dieser Strom auch durch die Erde fließt. Und dieser Strom verursacht einen Spannungsabfall, und all diese Punkte sind nicht mehr wirklich auf diesem einzigen, glorreichen 0-V-Ideal, das wir vorgeben. Alles hat leicht unterschiedliche Potentiale und ändert sich ständig, wenn sich unsere Rückströme ändern. Welche Teile des Bodens erfahren wie viel Potentialänderung und was hängt vollständig vom Pfad dieser Ströme ab.

   Sie haben sicherlich begonnen, über Rückströme nachzudenken, was großartig ist. Und darin liegt der Trick bei all dem: Wenn Sie verstehen, wie sich Erdrückströme verhalten, können Sie dieses Verhalten steuern und somit steuern, was sich auf Ihrer Platine auswirkt, ganz durch die Art und Weise, wie Sie diese Platine leiten.

2. Die Bodenströmungen sind kein kabalistischer Nebel der Ungewissheit.

   Tatsächlich gehören die Strömungen, um die Sie sich Sorgen machen müssen, zu den artigsten. Machen wir uns auch klar, welche Strömungen uns Sorgen bereiten . Sofern nicht wirklich etwas nicht stimmt, machen wir uns im Allgemeinen Sorgen darüber, dass digitale Signalrückströme Probleme für unsere empfindliche analoge Sektion verursachen könnten. Die analoge Sektion ist nicht nur darum besorgt, zwischen 2 extrem breiten Spannungs- oder Strompegeln zu unterscheiden, wie bei der digitalen, sondern versucht stattdessen, etwas zu messen. Normalerweise liegt dieses Etwas letztendlich in Form von Spannung vor, was bedeutet, dass unsere Messung wirklich nur so gut ist wie die Masse, auf die wir sie beziehen.

   Digitale Signale können jemandem, der sie von einem analogen Designstandpunkt aus betrachtet, furchterregend erscheinen. Diese Signale sind überhaupt nicht sinusförmig, sie sind nicht sanft oder glatt. Sie sind scharf, mit schnellen Anstiegszeiten oft im Nanosekundenbereich, wenn nicht schneller. Sie haben kohärentes Rauschen von Uhren, und jeder kleine Übergang von hoch nach niedrig, von einer 1 zu einer Null, ist ein scharfer Schwung, der den Strom wie einen Hammer schlägt, ihn zum Klingen bringt und ein Breitbandrauschen verursacht, dessen Leistungs-Frequenz-Verteilung bestimmt wird durch die Anstiegszeit dieser digitalen Wellenform. Ehrlich gesagt wäre es nicht kühn, all das als den schlimmsten oder fast schlimmsten Albtraum eines Analogdesigners zu bezeichnen.

   Aber es gibt auch einen enormen Vorteil, der uns durch die oben erwähnte Natur digitaler Signale verliehen wird. Sie sind schnell. Sie verhalten sich nicht wie DC. Sie sind zu schnell, um sehr weit von dem Strom, an den wir denken, zu diffundieren, dem Signalstrom, dem Strom, der durch eine genau definierte Spur fließt.

   Hier ist ein Diagramm der Stromverteilung (allgemein) für digitale Signale. (Bildnachweis: Henry Ott - Quelle PDF )

   Die untere Achse ist ein Verhältnis von Entfernungen.$h$ist der vertikale Abstand (wie in den Stapelhöhen Ihrer Leiterplatte) zwischen der Signalspur und ihrer Grundebene.$x$ist der Abstand von der Mitte der Signalspur nach außen. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, wenn möglich, eine Masseebene unmittelbar neben Ihrer obersten Signalebene zu haben. Aber selbst konservativ und unter der Annahme einer erheblichen Lücke von beispielsweise 1 mm bedeutet dies, dass über 87 % des gesamten Rückstroms für ein digitales Signal innerhalb von 5 mm zu beiden Seiten der Signalspur liegt. Darunter natürlich. Wenn Sie eine moderne Multilayer-Platine haben, kann zwischen den oberen Leiterbahnen und einer inneren Masseebene Prepreg in der Größenordnung von 100 µm liegen. Dadurch werden die Rückströme weiter lokalisiert, da es nur auf das Verhältnis ankommt. 97 % des Erdungsrückstroms liegen innerhalb des 20-fachen Abstands zwischen der Signalspur und ihrer Erdungsrückleitungsebene. Für eine ordnungsgemäße Stapelung mit einem Spalt von 100 µm ist dies ein 4-mm-Band, das direkt dem Pfad dieser Spur folgt.

Es ist wichtig, die Zahlen zu verstehen, aber die wichtige Erkenntnis hier ist, dass Ihre Erdrückströme den Spuren folgen, die sie verursachen.Ja, sie breiten sich ein wenig aus, aber Sie können steuern, in welchem ​​Ausmaß, und wenn Sie wissen, wie stark sie sich ausbreiten, nun, das sind alle Informationen, die Sie brauchen. Verlegen Sie Ihre Spuren und halten Sie sie in ausreichendem Sicherheitsabstand von allem auf Ihrem Board, unter dem der Rückstrom nicht fließen soll (und somit lokal auf den Boden trifft), und Sie können genau dasselbe erreichen wie mit Split Gründe. Die geteilte Erdung stellt lediglich sicher, dass sich der Strom mit begrenztem Grad für diese schnellen Signale sogar ausbreiten kann. Wenn der Designer einen Fehler macht und eine Spur zu nahe an das Falsche legt, wird eine Trennung eine harte galvanische Barriere errichten, die diese Rückkehr verhindert Strom davon abhält, irgendeine empfindliche Spur zu erreichen oder was Sie in der Nähe haben.

Sie können aber auch eine einzelne Grundebene mit gut verlegten und beabstandeten Spuren haben, wo sie benötigt werden, und dasselbe erreichen.

In den meisten Fällen würde ich argumentieren, dass die Vorteile der Verwendung einer geteilten Ebene wahrscheinlich die geringfügigen Nachteile überwiegen, da wir alle Fehler machen, und wie gesagt, Mixed-Signal-Anwendungen sind nicht sehr verzeihend. Aber Sie müssen Ihr Grundstück eigentlich nie aufteilen.

Etwas, das ich vor Jahren (Jahrzehnten?) Von ein paar großartigen FAEs von Unitrode gelernt habe: "Die Kettensägenregel". Grundsätzlich haben Sie die wichtigsten Bodenschnitte korrekt, aber Sie müssen die Regel befolgen, dass Sie in der Lage sein müssen, das Fiberglas mit einer Kettensäge direkt durch die Bodenschnitte zu schneiden, die Sie gemacht haben. Dh, legen Sie keine Spuren oder Kupfergüsse über diese Schnitte. Strom oder Signal, alles muss über Erdungskupfer gehen. Sie müssen wahrscheinlich die ADC-Grundfläche erweitern, um die Signale/Leistung zu unterstützen, die auch zwei Zonen überbrücken müssen, aber am Ende haben Sie Ihren Stern am ADC, wo er sein muss. Den unteren Schnitt vom ADC nach unten und links werde ich bestreiten, da ich denke, dass Sie gezwungen sein werden, diesen Schnitt zu entfernen, um die digitale Verbindung zum ADC aufzunehmen (um die Kettensägenregel einzuhalten). ...Randnotiz,