Die meisten Quellen im Internet diskutieren das Routing von Signalen über eine geteilte Stromversorgungsebene und wie man dies richtig macht. Die Hauptlösung besteht hier darin, einen kurzen Rückstrompfad zu schaffen. Ich frage mich, ob das Routing von Signalen über eine geteilte Stromversorgungsebene (nicht Masseebene) spürbare Auswirkungen auf die Signalintegrität hat und ob ich Maßnahmen ergreifen sollte.
Meine Situation:
4-Lagen-Leiterplatte:
Ich route ein paar Taktsignale auf der untersten Ebene, beginnend vom digitalen Abschnitt zum analogen Abschnitt. Die Signale kreuzen die Leistungsebene, die zwischen dem digitalen und dem analogen Abschnitt aufgeteilt ist (Lücke ist 0,5 mm breit). Ich werde einen soliden Stromrückweg auf der Masseebene (Brücke zwischen digital und analog) bereitstellen, sodass Rückströme kein Problem darstellen sollten.
Das Taktsignal liegt knapp über 12 MHz, die Leiterbahnen sind 0,2 mm breit und maximal 13,4 cm lang. Die Leiterbahnen werden mit einem Vorwiderstand abgeschlossen.
Die schnelle Antwort:
Jedes Signal, das eine Teilung in der Leistungs- ODER Masseebene überquert, ist schlecht. Je höher die Schaltrate (und je schneller die Signalflanken sind), desto schlimmer sind die Auswirkungen.
Die lange Antwort:
Wenn Sie sagen: "Ich werde einen festen Stromrückweg auf der Grundebene (Brücke zwischen digital und analog) bereitstellen, damit Rückströme kein Problem darstellen sollten", verstehen Sie die Probleme entweder nicht oder ich habe sie nicht verstanden deine Meinung. Der Grund, warum ich das sage, ist, dass Sie keinen "festen Stromrückweg" haben und trotzdem eine geteilte Ebene haben können. Es muss da eine gewisse Nicht-Festigkeit drin sein.
Die Rückströme fließen auf der dem Signal am nächsten liegenden Leistungs- ODER Erdungsebene. Wenn sich Ihr Signal also in Ihrem Fall auf der obersten Schicht befindet, befinden sich die Rückströme auf Ihrer Erdungsschicht. Wenn sich Ihr Signal jedoch auf der unteren Schicht befindet, befinden sich die Rückströme auf der Leistungsschicht. Bei den meisten Signalen mit mittlerer bis hoher Geschwindigkeit folgt der Rückstrom der Signalspur und nimmt nicht den kürzesten Weg. Anders ausgedrückt, die Rückströme versuchen, die "Schleifenfläche" zu minimieren.
Wenn Ihr Signal von unten nach oben (oder umgekehrt) schaltet, schalten auch die Rückströme, die durch eine Entkopplungskappe fließen. Aus diesem Grund ist es wichtig, Entkopplungskappen über die gesamte Leiterplatte zu streuen, selbst wenn sie zu weit von einem Chip entfernt ist, um einen Unterschied bei der Stromversorgung zu bewirken.
Die Minimierung des Schleifenbereichs ist entscheidend für die Signalintegrität, die Minimierung von EMI und die Reduzierung der Auswirkungen von ESD.
Wenn Ihr Signal eine Trennung in der Stromversorgungs- / Masseebene durchschneidet, müssen die Rückströme einen Umweg nehmen. In einigen Fällen kann dieser Umweg die Schleifenfläche um das 2-fache oder sogar das 10-fache vergrößern! Der einfachste und beste Weg, dies zu vermeiden, besteht darin, kein Signal über einen Split zu führen.
Einige Boards haben gemischte analoge und digitale Ebenen oder einige Systeme haben mehrere Stromschienen. Hier ist eine Liste von Dingen, die unter diesen Umständen helfen könnten:
Für Dinge wie Uhren oder aktive Datenleitungen möchten Sie wirklich keinen Split überqueren. Etwas kreatives PCB-Routing ist die beste Lösung, obwohl Sie manchmal nur eine kombinierte analoge/digitale Ebene haben müssen, anstatt sie aufzuteilen.
Bei Signalen mit niedriger Geschwindigkeit oder Signalen, die hauptsächlich aus Gleichstrom bestehen, können Sie einen Split überqueren, aber gehen Sie dabei vorsichtig und selektiv vor. Wenn Sie können, verlangsamen Sie die Flankenrate mit einem Widerstand und vielleicht einer Kappe. Normalerweise würde der Widerstand die Teilung physisch überbrücken.
Dinge wie 0-Ohm-Widerstände oder Kappen können verwendet werden, um einen Signalrückweg zwischen zwei Ebenen bereitzustellen. Wenn beispielsweise ein Signal die Teilung überspringt, kann das Hinzufügen einer Kappe zwischen den beiden Ebenen in der Nähe des Signals hilfreich sein. Aber Vorsicht, wenn dies nicht gut gemacht wird, kann es alle positiven Auswirkungen einer Aufteilung überhaupt zunichte machen (dh verhindern, dass das digitale Rauschen auf die analoge Ebene gelangt). Das Schöne an der Verwendung von Kappen oder 0-Ohm-Widerständen dafür ist, dass Sie mit dem Design herumspielen können, nachdem die Leiterplatte hergestellt wurde. Sie können jederzeit Teile stopfen oder entstopfen, um zu sehen, was passiert.
Während viele PCB-Designs eine Art Kompromiss beinhalten, versuchen Sie, keine Kompromisse einzugehen, es sei denn, Sie müssen es unbedingt tun. Dadurch haben Sie weniger Kopfschmerzen und verlieren weniger Haare.
Ich sollte auch darauf hinweisen, dass ich das Problem der Impedanzänderungen aufgrund der Teilung und was das bedeuten würde, vollständig beschönigt habe. Obwohl es wichtig ist, ist es nicht so wichtig wie die Minimierung des Schleifenbereichs und so weiter. Und das Verständnis des Schleifenbereichs ist viel einfacher als zu verstehen, wie sich die Impedanzänderungen auf die Signalintegrität auswirken.
Ich muss ein paar konventionelle Weisheiten über den Haufen werfen. Zumindest für die von mir erstellten HF-Karten habe ich festgestellt, dass die Leistung verbessert wird, wenn keine getrennten Gründe für Analog und Digital vorhanden sind. Stattdessen hat die Verwendung einer soliden Erdungsebene und das Durchführen von Erdungsgüssen, um einen Pfad mit niedriger Induktivität / geringem Widerstand zu einem einzelnen einheitlichen Erdungsknoten aufrechtzuerhalten, für die Arten von Produkten, die ich entwickelt habe, besser funktioniert, hauptsächlich kleine Größe (Handheld) und HF-schwer (Empfänger). und Sender im 500-MHz-Bereich und höher.
Normalerweise verwende ich keine Power Planes, da es nicht viel Spurbreite braucht, um einen IR-Spannungsabfall der Spur auf den Mikrovoltbereich zu senken, und ich hätte dort lieber Masse.
Nur ein anderer Ansatz.
Man könnte fragen - warum geht ein Taktsignal in den analogen Bereich? Vielleicht müssen Sie Ihre Flugzeuge manipulieren, um digitale Masse auf die digitalen Seiten Ihrer DAC / ADCs zu bringen (ich gehe davon aus, dass das hier vor sich geht.)
Uhren sollten nicht durch Vias gehen. Es gibt einen Induktivitäts- und Kapazitätspreis, den Sie zahlen, wenn Sie Durchkontaktierungen verwenden, und wenn Ihre Taktfrequenz zunimmt, wird Sie dies schließlich beißen. Es zwingt auch die Rückströme der Uhr durch eine Entkopplungskappe. Es ist wirklich nur die beste Vorgehensweise, die Uhr auf einer Ebene zu halten.
Dies gilt zusätzlich zu den oben genannten Ratschlägen.
Abhängig von der Geschwindigkeit der Uhr und ihrem Routing würde ich erwarten, dass Sie davon profitieren könnten, sie durch ein Gerät an der Grenze der beiden Ebenen zu leiten, dessen Eingang relativ zur digitalen Ebene und dessen Ausgang relativ zu ist die analoge Ebene. Wenn der Takt vielseitig genutzt wird, könnte man ihn dort auch so gaten, dass nur die tatsächlich für den ADC relevanten Takte die Grenze passieren würden.
Das Routing Ihrer Uhr über geteilte Stromversorgungsebenen hat negative Auswirkungen. Wie einige andere bereits erwähnt haben, ist es besser, eine solide Masseebene zu verwenden und Ihr analoges und digitales Routing zu partitionieren, um sie isoliert zu halten. Ich wäre besorgt über EMI, wenn Ihre Uhr über eine geteilte Ebene geht (sieht aus wie eine Schlitzantenne), und Sie sollten in Betracht ziehen, für Ihre Uhrenleitung von Reihenabschluss auf parallel zu wechseln.
Ich sage nicht, dass das Kreuzen von geteilten Ebenen in dieser Art von Setup nicht möglich ist, aber Sie sollten vorsichtig sein und verstehen, dass das Risiko besteht, dass Sie es nicht einfach quantifizieren können.
Wenn Sie Ihr Layout so beibehalten möchten, wie es ist, möchte ich einige App-Hinweise von den ADC-Leuten wie Analog Devices (oder Ihrem ADC-Anbieter-Chip) lesen, um zu sehen, welche Empfehlungen sie für diese Art von Split-Plane-Layout haben.
Leider werden die elektrischen Felder die Elektronen dazu bringen, ALLE möglichen Rückwege zu erkunden, die proportional zur Leitfähigkeit (Suszeptanz für Wechselstromsignale) sind.
Ja, einige Pfade werden aufgrund ihrer niedrigeren Impedanz bevorzugt. Aber einige Elektronen werden immer noch andere Wege nehmen, weil diese anderen Wege existieren.
Bei Frequenzen weit über der Hautfrequenz (5 MHz für 35 Mikrometer 1 Unze/Fuß^2) haben die Elektronen keine Zeit, die Folie zu durchdringen, und bleiben (meistens) auf einer Seite. Bei 20 MHz haben Sie 2 SkinDepths oder 2 * 8,9 dB = 18 dB Reduzierung (fast 10:1). Bei 80 MHz haben Sie 4 SkinDepths oder 4 * 8,9 dB = 36 dB Reduzierung (fast 180:1). Bei 320 MHz (vielleicht 1 Nanosekunde Flanken) haben Sie 8 SkinDepths oder 8*8,9 dB = 72 dB Reduktion (über 30.000:1).
Beachten Sie, dass sich die Elektronen immer noch durch die Folie bewegen, zu der Seite, die von Ihrer Angreiferspur abgewandt ist. Es gibt immer noch einen I * R-Abfall auf dieser "ruhigen" Seite des Flugzeugs.
Martin