¿Debería realmente dividir el plano de tierra en partes analógicas y digitales?

Estoy a punto de diseñar mi primer PCB como parte de mi proyecto de graduación. Por supuesto, como primer paso, trato de aprender lo más posible. Una parte de la investigación encontré este artículo de 3 partes , que sugiere que no es necesario y en algunos casos es incluso dañino dividir el plano de tierra en una parte analógica y digital, lo que contradice lo que aprendí del profesor. También leí todos los hilos en este sitio que están relacionados con los planos de tierra / vertidos. Aunque la mayoría está de acuerdo con el artículo, todavía hay algunas opiniones que defienden el plano de tierra dividido. p.ej

https://electronics.stackexchange.com/a/18255/123162 https://electronics.stackexchange.com/a/103694/123162

Como novato en diseño de PCB, me resulta confuso y difícil decidir quién tiene la razón y qué enfoque adoptar. Entonces, ¿debo dividir el plano de tierra en partes analógicas y digitales? Me refiero a la división física, ya sea con un corte de PCB o con polígonos separados para DGND y AGND (no conectados o conectados en un punto)

Quizás para permitirle hacer una recomendación, que se adapta a mi posible PCB, se lo cuento.

El PCB se diseñará en la versión gratuita de Eagle => 2 capas

El PCB es para pruebas y mediciones precisas (corriente y voltaje) de baterías de litio. La placa se controlará desde Raspberry Pi a través de la interfaz digital (GPIO / SPI (40 kHz)). Habrá 3 convertidores de datos a bordo (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) y conectores para un módulo RTC preconstruido en el lado digital. La alimentación analógica proviene de una fuente de alimentación regulada externa sobre el regulador de voltaje LT3042 integrado (5,49 V). Además, hay una referencia de voltaje LT6655B de 5 V. La parte analógica es esencialmente un circuito de CC, el único realmente HF es el reloj maestro interno de 16 MHz del ADC.

Los 3.3 V digitales (principalmente para alimentar las interfaces digitales) se obtendrán de Raspberry PI. Por lo tanto, habrá 2 conexiones a tierra: fuente de alimentación externa y a la interfaz digital de Raspberry Pi.

En relación con esto, otra pregunta: refiriéndome a la Figura 3 , ¿cómo me aseguro de que las corrientes de retorno de las interfaces digitales fluyan a la conexión a tierra correcta (recuerde que tengo 2 de ellas)?

Preocupación adicional: ¿podría la curva de distribución de potencia alterar las mediciones sensibles? Los iba a separar enrutando el poder en la capa inferior, pero eso ya no es una buena idea en el caso de un plano de tierra monolítico

Y aunque todavía estoy preguntando: suponiendo un plano de tierra más o menos monolítico en la parte inferior y una capa de señal / componente en la parte superior, ¿cuál es la mejor manera de conectar el lado negativo de los condensadores de derivación al plano de tierra?

Tienes que pensar en términos de impedancia compartida (no resistencia, realmente impedancia).

Considere las partes del circuito que usan GND como referencia de 0V para fines analógicos sensibles. Obviamente, desea que cada una de estas "referencias 0V" tenga el mismo potencial "0V". Sin embargo, la corriente que atraviesa el plano GND introducirá un voltaje de error adicional en la parte superior de "0V" de cada chip.

Ahora dibuje un esquema de su GND, con las corrientes que lo atraviesan.

Si no divide el plano, pero tiene altas corrientes que lo atraviesan, porque coloca el conector de entrada de energía en el lado izquierdo, el conector de salida de energía en el lado derecho y los bits analógicos súper sensibles en el medio, entonces usted podría tener un problema debido a la alta corriente que fluye en GND y a la creación de un gradiente de voltaje.

Dependiendo de la frecuencia, considere la impedancia (es decir, inductancia, no solo resistencia).

Ahora, hay varias soluciones para esto.

• Puede colocar sus conectores de alimentación en lugares más razonables (es decir, entrada de alimentación junto a la salida de alimentación) para que las altas corrientes no viajen en su plano GND. Esto se aplica a todos los bucles actuales que transportan corrientes di / dt grandes, ruidosas o altas, como los bucles internos de un DCDC, o los bucles entre él y su carga (por ejemplo, una CPU) o incluso la ruta a tierra entre una tapa de desacoplamiento y el chip que desacopla.

¡Asegúrate de saber dónde están estos bucles! Pídalos por problemas (aproximadamente "área * di / dt" para AC o "área * I" para DC). La colocación es esencial. Una buena ubicación con bucles de corriente ajustados hace que el diseño sea mucho menos doloroso.

• Puede usar amplificadores diferenciales y ADC que ignoran el ruido de modo común.

Esto es obligatorio si el voltaje a detectar se encuentra en una derivación de corriente del lado alto. Ahora supongamos que usa un amplificador de detección actual, por ejemplo. No olvide que el voltaje en su pin de "referencia de salida" (a menudo mal etiquetado "GND") se agrega directamente a la salida ... así que no pegue el amplificador de detección entre dos MOSFET con su pin "GND" en el medio del "motor" ruta de retorno actual "...

• También podría dividir el avión, pero luego debe decidir dónde lo dividirá. Y (aquí es donde las cosas se ponen feas) donde se unen sus dos bases en DC (o en altas frecuencias si usa aisladores ...

Pongamos nombre a sus dos bases AGND y PGND (analógico y de potencia). Algunos dicen dividirse y unirse a AGND / PGND o AGND / DGND bajo el ADC. Esto significa que cualquier corriente que se ejecute entre AGND y PGND tiene que fluir en el enlace de tierra bajo el ADC ahora, que es el peor lugar posible.

Una solución que tiene mucho sentido es la "división oculta". La colocación es esencial. Por ejemplo, coloca las cosas ruidosas / a la derecha y las sensibles a la izquierda. Usted coloca sus tapas de desacoplamiento para que los bucles de corrientes de suministro que atraviesan GND sean cortos y estén bien ubicados. Luego, dado que su placa tiene dos zonas bien definidas, puede reducir el ancho del plano de tierra que las conecta, para garantizar que las corrientes altas no corran en el terreno de los bits sensibles.

Es muy visual y difícil de explicar, y colocar los conectores correctamente es esencial.

Estos tutoriales son buenos: https://learnemc.com/emc-tutorials

Simplemente introducir SLITS en el plano GND puede ser suficiente para mantener la basura digital / de alimentación / relé / motor fuera de las delicadas áreas analógicas. [EDITAR 9 de junio mostró que una región estrecha alcanzará una atenuación de 12 dB / cuadrado. EDITAR junio de 2019 Recuerde cortar el Power Plane también (sugerido por barleyman)]

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Qué podemos predecir acerca de la colocación de rendijas frente al punto de entrada y salida de corriente intrusiva?

^{simular este circuito}

¿Qué esperar cuando la hendidura se entromete en las corrientes?

^{simular este circuito}

Teníamos aproximadamente 40 microvoltios / cuadrado a lo largo del borde inferior de la PCB, suponiendo 0.0005 ohmios / cuadrado. Podemos estimar la caída de voltaje I * R, causada por UN AMPERIO en la parte superior derecha de la PCB, a lo largo del borde inferior de la PCB dentro de la región analógica como simplemente

Slit_Atten = longitud de la hendidura / longitud completa del bucle dentro de la región sensible

La caída de voltaje en la parte inferior (por cuadrado) es

Voltaje a través de la ranura * Slit_Atten

Matemáticas: la hendidura es de 4 cuadrados, por lo tanto, 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten es de 4 cuadrados / 20 cuadrados (toda la periferia del bucle) = 20%.

La caída per_square I * R es 160uV * 20% = 32 uV.

Esto muestra el valor de usar solo regiones NARROW entre digital / ruido y analógico.

Aquí hay otra forma de cortar.

^{simular este circuito}

Voltaje por cuadrado donde OpAmps necesita GND silencioso = 32 uVolts, por cuadrado. No muy callado. ¿Qué hacer?

1) corte la hendidura más en los planos; ahora al 80%, vaya al 95% y probablemente obtenga una mejora exponencial en la tranquilidad; ejecuta el sim SPICE y mira cómo

2) haz la hendidura ----- no estrecha ---- sino profunda, como esta

^{simular este circuito}

¿Qué podemos predecir sobre la atenuación de las rendijas "L"? Resulta que podemos predecir una atenuación de 12 dB por cuadrado de la región estrecha. Nos acercamos y vemos esto

^{simular este circuito}

La clave real es SIEMPRE la colocación, haga esto de manera inteligente y cualquiera de las configuraciones puede funcionar para algo como esto, equivocarse demasiado y no solo será muy difícil enrutar el tablero, sino que será difícil obtener la precisión que desea.

Los planos sólidos gobiernan cuando tienes cosas rápidas, cada vez que tienes velocidades de borde en la región ns (la velocidad del reloj no importa, las velocidades de borde sí), quieres un plano sólido al menos en esa región, generalmente hago un plano sólido en el primer prototipo cada vez y más tarde si no me da lo que quiero (generalmente no necesito cambiarlo).

Ahora, en su caso, la precisión de CC es importante y, en general, estas cosas se hacen mejor con detección diferencial (decida qué dos puntos desea medir el voltaje y mida ese voltaje, no el relativo a algún plano).

El hecho de que tenga un plano no significa que necesite conectarse a él en puntos arbitrarios, por ejemplo, puede decidir devolver el extremo 'conectado a tierra' de una resistencia en un amplificador diferencial al plano en el mismo punto que la entrada de las etapas anteriores resistencia divisoria, asegurando así que vean el mismo voltaje, las bases jerárquicas son algo bueno, pero las reglas de medición diferencial para estas cosas.

5.49 me parece optimista, abs max no es un lugar en el que quieras estar.

Los desacopladores generalmente van directamente al avión.

Si decide dividir los planos, debe asegurarse de que haya una conexión continua debajo del área donde las líneas de control pasan entre los dos, nunca ejecuta ningún rastro sobre una división en el plano.

Dadas sus bajas velocidades, no olvide que puede sobremuestrear y que el diezmado extiende la longitud efectiva de su palabra.

Algunas notas sobre esto. Como otros han señalado, los bucles actuales no son tus amigos. Debe conocer sus circuitos de alta potencia / alta velocidad y dónde se les suministra la energía. Cualquier cosa entre estos dos puntos está directamente en el campo de fuego, no coloque sus ADC de 16 bits entre el convertidor de refuerzo y los LED controlados por PWM de alta potencia.

Las divisiones o fosos en los planos terrestres pueden ser beneficiosos, pero estos se involucran rápidamente. Lo más importante para recordar es NUNCA CRUZAR UNA DIVISIÓN EN EL AVIÓN CON UNA LÍNEA DE SEÑAL DE ALTA VELOCIDAD / SENSIBLE . Sus líneas de señal necesitan una ruta de retorno actual justo al lado de ellas. Entonces, si crea una herradura alrededor de un ADC, también debe enrutar todas las señales alrededor de ese foso. Si absolutamente tiene que cruzar una división, podría usar un condensador local para vincular planos GND separados, pero en primer lugar está anulando el propósito del foso. Suponiendo que tenga una placa de varias capas, pero sería mucho menos doloroso no hacerlo. Intercambie capas antes de la división a otro plano que tenga un plano de referencia uniforme. nótese bienesto no se aplica a DC o señales / cargas de baja frecuencia. Están lo suficientemente felices como para seguir el camino de menor resistencia alrededor del foso. ¡No olvide que tiene que hacer coincidir divisiones en planos GND con divisiones coincidentes en planos de poder!

Para hacer esto más complicado, esto se aplica al plano de referencia, es decir, el plano de tierra junto a la capa de señal. Si tiene 8 capas o más, no importa lo que esté en el plano L2 si su circuito sensible está en L8. También puede usar el plano de potencia como referencia, pero a menudo en estos días tiene cualquier cantidad de planos de potencia (5V, 3.3V, 1.8V, 1.2V, -5V, lo que sea), por lo que los circuitos ofensivos solo pueden ser referenciados al plano de potencia. se origina en ... Hacer referencia a un PHY de 1.8V a un plano de 3.3V no funcionará. A menos que, ya sabes, vuelvas a proporcionar esas tapas de costura entre planos.

Hice un circuito multiplex ADC de alta velocidad que logró un nivel de ruido esencialmente cero (~ 0.6 unidades ADC) al dividir VCC y VCCA más GND y AGND. Pero sé lo que estoy haciendo y pasé tiempo mapeando religiosamente líneas analógicas y creando "islas" de cobre relacionado en la siguiente capa, etc. La mayoría de las veces mantengo todos los terrenos juntos y me preocupo por los circuitos actuales.

El cambio de capas también cuenta como una división en el plano, por lo que debe tener una GND coincidente a través de las cercanías para que la corriente de retorno de alta velocidad no tenga que hacer desvíos adicionales.

Nota final : la corriente de retorno sigue el camino de menor resistencia. Para las frecuencias bajas, esa es la ruta de cobre sólido más corta disponible que puede no seguir su señal / rastro de potencia. Para frecuencias más altas está justo al lado de la señal de conducción, ya que la separación aumenta la impedancia. Es por eso que cruzar aviones termina en lágrimas mientras crea discontinuidades que resultan en reflejos, frecuencias de RF radiadas, pérdida de integridad de señal, lluvia de ranas, etc.

Podrías separar completamente la potencia y la tierra tanto para analógico como digital. Utilice convertidores DC-DC aislados y optoaislamiento para la interfaz digital entre los dos.