¿Cuándo usar cortes de plano de tierra?

He estado leyendo más sobre técnicas adecuadas de conexión a tierra y el uso de planos de tierra.

Por lo que he leído, los planos de tierra proporcionan una gran capacidad con capas adyacentes, una disipación de calor más rápida y reducen la inductancia de tierra.

La única área en la que estoy particularmente interesado es la capacitancia parásita / parásita creada. Según tengo entendido, esto es beneficioso para los rastros de potencia, pero potencialmente perjudicial para las líneas de señal.

He leído algunas sugerencias sobre dónde colocar planos de tierra sólidos, y me preguntaba si estas son buenas recomendaciones a seguir y qué constituiría una excepción a estas sugerencias:

1. Mantenga el plano de tierra bajo rastros / planos de potencia.
2. Retire el plano de tierra de las líneas de señal, particularmente las líneas de alta velocidad o cualquier línea susceptible a la capacitancia parásita.
3. Use los anillos de protección de tierra de manera adecuada: líneas de alta impedancia circundantes con un anillo de baja impedancia.
4. Use planos de tierra locales (lo mismo ocurre con las líneas eléctricas) para los sistemas / subsistemas de IC, luego una todas las tierras al plano de tierra global en 1 punto, preferiblemente cerca del mismo lugar donde se encuentran las líneas de tierra locales y locales.
5. Trate de mantener el plano del suelo lo más uniforme / sólido posible.

¿Hay otras sugerencias que debo tener en cuenta al diseñar la tierra / potencia de una PCB? ¿Es típico diseñar primero el diseño de potencia / tierra, primero los diseños de señal o se hacen juntos?

También tengo algunas preguntas sobre el n. ° 4 y los aviones locales:

1. Me imagino que conectar planos de tierra locales al plano de tierra global podría implicar el uso de vías. He visto sugerencias en las que se usan múltiples vías pequeñas (todas en aproximadamente la misma ubicación). ¿Se recomienda esto en una sola vía más grande?
2. ¿Debo mantener los aviones de tierra / poder globales debajo de los aviones locales?

2) Recomiendo encarecidamente CONTRA el corte en cualquier lugar cerca de señales de alta velocidad. La capacitancia perdida realmente no tiene demasiado efecto en la electrónica digital. Por lo general, la capacitancia perdida lo mata cuando actúa para crear un filtro parásito en la entrada de un amplificador operacional.

De hecho, es muy recomendable ejecutar sus señales de alta velocidad directamente sobre un plano de tierra ininterrumpido ; esto se llama " microstrip ". La razón es que la corriente de alta frecuencia sigue el camino de menor inductancia. Con un plano de tierra, este camino será una imagen especular del rastro de la señal. Esto minimiza el tamaño del bucle, que a su vez minimiza la EMI radiada.

Un ejemplo muy sorprendente de esto se puede ver en el sitio web del Dr. Howard Johnson. Vea las figuras 8 y 9 para ver un ejemplo de corriente de alta frecuencia que toma el camino de menor inductancia. (en caso de que no lo supiera, el Dr. Johnson es una autoridad en integridad de señal, autor del muy elogiado "Diseño digital de alta velocidad: un manual de magia negra")

Es importante tener en cuenta que cualquier corte en el plano de tierra debajo de una de estas señales digitales de alta velocidad aumentará el tamaño del bucle porque la corriente de retorno debe desviarse alrededor de su corte, lo que también aumenta las emisiones. Desea un plano totalmente ininterrumpido debajo de todas sus señales digitales. También es importante tener en cuenta que el plano de potencia también es un plano de referencia al igual que el plano de tierra, y desde una perspectiva de alta frecuencia, estos dos planos están conectados a través de condensadores de derivación, por lo que puede considerar una corriente de retorno de alta frecuencia para "saltar" aviones cerca de las tapas.

3) Si tiene un buen plano de tierra, prácticamente no hay razón para usar un rastro de guardia. La excepción sería el amplificador operacional que mencioné anteriormente, porque es posible que haya cortado el plano de tierra debajo de él. Pero aún debe preocuparse por la capacidad parásita de un rastro de guardia. Una vez más, el Dr. Johnson está aquí para ayudar con fotos bonitas .

4.1) Creo que múltiples vías pequeñas tendrán mejores propiedades de inductancia ya que están en paralelo, en comparación con una vía grande que ocupa aproximadamente la misma cantidad de espacio. Lamentablemente no puedo recordar lo que leí que me llevó a creer esto. Creo que es porque la inductancia de una vía es linealmente inversamente proporcional al radio, pero el área de la vía es cuadráticamente directamente proporcional al radio. (fuente: Dr. Johnson nuevamente ) Haga que el radio de vía sea 2 veces más grande, y tiene la mitad de la inductancia, pero ocupa 4 veces más área.

En lo que respecta a la conexión de planos de tierra locales al plano de tierra global, es mejor usar múltiples vías pequeñas, ya que ayudará a distribuir la corriente y también se minimiza la tasa de falla de PCB además de proporcionar una mejor disipación de calor.

No hay ningún daño en mantener los planos globales de tierra / energía debajo de los planos locales como si observara diseños de PCB multicapa, es lo que sigue.

Tenga cuidado de no definir libremente la alta frecuencia.

Vale la pena considerar los efectos de la línea de transmisión, que requieren técnicas de microstrip o stripline, cuando la longitud de la línea es 1/100 o mayor de la frecuencia de mayor preocupación de la señal (Ulaby). Entonces, esto es útil para diseños de microondas. Por ejemplo, una forma de onda de 1 GHz en el aire tiene una longitud de 30 cm, sin embargo, en FR-4 tiene aproximadamente la mitad (sqrt de epsilon r, la permitividad relativa, para FR-4 es aproximadamente 4, dependiendo de la composición). Por lo tanto, una traza de unos pocos centímetros de largo definitivamente sería motivo de preocupación para 1 GHz.

Para 10MHz, los efectos de la línea de transmisión apenas se notan. El quinto armónico de 10MHz es 50MHz, y en FR-4 sería aproximadamente 150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3 metros. Entonces, en un bus de 30 cm de largo, uno podría experimentar los comienzos de la distorsión de fase.

La verdadera preocupación es el ruido. Al colocar una traza de ancho suficiente sobre un plano de tierra, la energía de la señal se propaga a través del sustrato entre la traza y el plano de tierra (Poynting). Y EMI de otras fuentes no puede entrar.

Las líneas de microstrip tienen una impedancia característica que está determinada por el ancho del trazado y el grosor y material del sustrato; trazas más delgadas tienen mayor impedancia característica. La impedancia del aire libre es de 377 ohmios. Cuando el rastro de Zo se acerca a esta figura, comienza a irradiarse. Incluso con un plano de tierra. Del mismo modo, el espesamiento del sustrato tiene el mismo efecto. Tenga en cuenta que cuando se trabaja en alta frecuencia, la impedancia es clave ... terminación, coincidencia ... un bus suficientemente largo tendrá reflexiones medibles si no se termina correctamente.

Sin embargo, con diseños densos surge la necesidad de trazas finas. Entonces, comprometer algo.

Para mantener la impedancia de la línea de la microcinta sin cambios por una ranura del plano de tierra, la ranura debe ubicarse al menos a dos anchuras de microcinta de distancia (si la microcinta se proyecta verticalmente al plano de tierra).

A continuación se muestran varias imágenes de un solucionador de campo 3D que muestra la distribución del campo eléctrico dentro del microtrazo y la densidad de corriente en el plano de tierra. La conclusión es que casi no hay campo o corriente a dos anchuras de distancia de la micropunta. Por lo tanto, los descansos en el plano de tierra están permitidos aquí.

Figura 1: Sección transversal del campo eléctrico perpendicular a la línea de banda. Vista 2D Figura 2: Sección transversal del campo eléctrico perpendicular a la línea de banda. Vista en 3D Figura 3: Densidad de corriente en el plano de tierra. Vista 2D Figura 4: Densidad de corriente en el plano del suelo. Vista 3D