Colocación de vías para conectar planos de tierra

Me he estado preguntando mucho sobre las prácticas de puesta a tierra en los diseños de PCB. Mi primera pregunta al respecto trata de vias. Me di cuenta de que en una PCB de 2 capas simple con planos de tierra en ambos lados, generalmente habrá algunas o varias vías espaciadas para conectarlas con una impedancia mínima entre los dos vertidos de cobre.

Sin embargo, en una placa RF, la colocación de la vía parece mucho más deliberada y me pregunto sobre la teoría detrás de esto. Las vías que conectan los planos de tierra a menudo bordean el trazado de RF. Vea este ejemplo de guía de onda coplanar diferencial:

También tengo una segunda pregunta sobre la conexión a tierra en PCB. ¿Cuándo es apropiado "aislar" los planos de tierra unos de otros? Y cómo ayuda tener los planos de tierra en una capa (digamos arriba) aislados entre sí ayuda cuando ambos planos de tierra están conectados al mismo plano de tierra en la parte inferior a través de vías. Cuando tenemos estos planos de tierra aislados, ¿la ubicación de la vía difiere de cualquiera de los casos anteriores?

Nota: Soy consciente del posible duplicado aquí, pero no estoy satisfecho con las respuestas y creo que mi pregunta pide más detalles.

Gracias por la información.

El diseño que mostró se parece a lo que se llama guía de onda coplanar con respaldo de cobre (CBCPW). Eso significa que el retorno a tierra de la guía de onda no está solo en los terrenos coplanares (el terreno se llena en la misma capa que las señales de señal) sino también en la capa plana inmediatamente "debajo" de la capa de señal. Esta estructura es bastante esotérica, en el sentido de que solo la he visto utilizada en sistemas digitales cuando las velocidades de datos superan los 20 Gb / s.

Encontré lo que parece una discusión razonable sobre las diferencias entre CBCPW y microstrip en un artículo de Microwave Journal escrito por ingenieros de Rogers Corp.

Este artículo muestra que el CBCPW tiene una pérdida más baja que el microstrip en frecuencias donde la pérdida de radiación se vuelve importante en el microstrip, aproximadamente desde 25 GHz en adelante, lo que explica por qué el CBCPW no se usa ampliamente en frecuencias más bajas.

Al abordar su pregunta, el artículo señala algunos requisitos especiales para la conexión a tierra en estructuras CBCPW:

Para una conexión a tierra adecuada, los circuitos CBCPW emplean vías para conectar los planos de tierra coplanares de la capa superior y el plano de tierra de la capa inferior. La colocación de estas vías puede ser crítica para lograr las características deseadas de impedancia y pérdida, así como para suprimir los modos de onda parasitaria.

Básicamente, esto significa que, sin frecuentes divisiones de costura entre la tierra coplanar y la tierra de respaldo, la energía podría transferirse a modos de propagación no deseados, lo que causaría una pérdida de inserción excesiva o una fuerte dispersión en las características de la línea de transmisión.

Parte 1: una ranura larga en un plano de tierra del lado superior puede actuar como una antena, tanto en términos de radiación como de captación de corrientes que intentan fluir perpendicularmente a la ranura. Puede pensar en una ranura como una especie de "cable negativo". Más detalles se pueden encontrar aquí .

Las corrientes de alta frecuencia que intentan pasar de una pieza del plano de tierra del lado superior a otra (que fluye perpendicular al trazado de RF) se ven obligadas a fluir alrededor de los bordes de los espacios entre las piezas. Ahora considere lo que sucede si la longitud de la ranura es igual a la mitad de la longitud de onda de la corriente. El voltaje a través de la ranura se fuerza a cero en los extremos de la ranura (donde están conectadas las piezas), pero esto significa que la diferencia de voltaje a través de la ranura será mayor en el centro de la ranura. De manera similar, la corriente (a través de la ranura) se fuerza a cero en el centro de la ranura, pero es máxima en los extremos de la ranura. Este es el "dual" eléctrico de una antena de cable de media onda ordinaria, en la cual la corriente es máxima en el centro y el voltaje es máximo en los extremos. La ranura y el cable son igualmente efectivos que las antenas,

Las múltiples vías que conectan ambos lados de la ranura al plano de tierra sólido en el otro lado "acortan" esta antena de ranura, eliminando ese problema.

Parte 2: Los planos de tierra independientes para ciertos subsistemas "ruidosos" (o, para el caso, subsistemas que necesitan ser particularmente "silenciosos") en una placa, que están conectados al plano de tierra a nivel del sistema en un solo punto, sirven para limite las corrientes de retorno de las señales dentro de ese subsistema a solo esa área de la placa, evitando que afecten (o sean afectadas por) otros subsistemas en la placa.

Por ejemplo, suponga que tiene un sistema de adquisición de datos basado en un microprocesador que tiene un ADC de alta resolución y algunos circuitos de acondicionamiento de señal analógico aguas arriba. Puede crear un plano de tierra para el circuito analógico y otro para el microprocesador y su cristal y otros periféricos digitales (por ejemplo, un chip de memoria flash grande), y conectar cada uno de ellos a un plano de tierra del sistema (o entre sí) en Solo un punto. Esto mantiene el ruido de alta frecuencia del cristal y las otras señales de E / S digitales de conmutación rápida del microprocesador fuera del plano de tierra para los circuitos analógicos sensibles. Verá esto si observa los diseños de las placas de evaluación que los fabricantes producen para sus chips ADC y DAC de alta resolución.

En CPW o Coplanar Wavequide, la energía de RF se encuentra entre los conductores en la parte superior del sustrato. Esto es común en semiconductores donde es difícil acceder a un plano de tierra y las distancias son muy cortas. Para los PCB, es necesario que haya una conexión a tierra y esto se conoce como guía de onda coplanar con conexión a tierra (CPWG) o guía de onda coplanar con respaldo de conductor (CBCPWG). El espacio de la vía es crear una pared virtual a través de la cual la energía de RF no puede filtrarse. Cuanto más alta es la frecuencia, más corta es la longitud de onda y más juntas deben estar las vías. Aquí hay un enlace a un documento que muestra esto mediante la prueba de diferentes tableros en las páginas 14 - 21.

http://mpd.southwestmicrowave.com/showImage.php?image=439&name=Optimizing%20Test%20Boards%20for%2050%20GHz%20End%20Launch%20Connectors