Single point vs Ground plane, dalam tata letak audio OP AMP PCB

8

Baru-baru ini saya memposting pertanyaan yang tampaknya tidak bersalah di forum lain. Saya mencoba untuk menjaga sirkuit kecil dan relatif sederhana ke papan 2 lapisan dan bertanya tentang manfaat perisai tuang tembaga yang diikat ke tanah analog, sebagai lawan mendedikasikan pesawat terpisah yang tak terputus digunakan untuk tanah. Meskipun pertanyaan saya hanya mengacu pada nilai perisai dari tuangkan tembaga semacam itu, kontroversi besar dimulai pada titik yang sama sekali berbeda. Dalam tata letak saya, saya telah membuat ground virtual menggunakan pembagi tegangan tipikal yang memberi gain pada uni yang dikonfigurasi OP amp, dan kemudian menjalankan setiap ground analog kembali ke titik yang berdekatan dengan output dari ground virtual tersebut. Saya juga telah melakukan penuangan tembaga pada lapisan yang paling tidak sibuk dan mengikatnya ke tanah analog yang sama, lagi pada titik yang sama. Tetapi segera setelah itu ada serangkaian posting yang mengecam penggunaan skema "jaring laba-laba" yang berbelit-belit, dengan banyak yang mengatakan bahwa saya harus membuat pesawat terbang dan membuat semua koneksi ke titik terdekat yang tersedia dari pesawat itu (melalui saat perlu). Melakukannya dengan baik tentu saja membuat tata letak lebih bersih dan sederhana. Tetapi setelah menempuh rute "titik tunggal" selama bertahun-tahun, dan memiliki sebagian besar desain yang sukses (artinya cukup dan stabil), saya ragu untuk berubah. Terutama karena beberapa argumen berbicara tentang alasan titik tunggal sebagai sesuatu yang kuno, dan diturunkan ke sirkuit tabung vakum. Apa? dengan banyak berdentang di bahwa saya hanya harus membuat pesawat tanah dan hanya membuat semua koneksi ke titik terdekat yang tersedia dari pesawat itu (melalui bila perlu). Melakukannya dengan baik tentu saja membuat tata letak lebih bersih dan sederhana. Tetapi setelah menempuh rute "titik tunggal" selama bertahun-tahun, dan memiliki sebagian besar desain yang sukses (artinya cukup dan stabil), saya ragu untuk berubah. Terutama karena beberapa argumen berbicara tentang alasan titik tunggal sebagai sesuatu yang kuno, dan diturunkan ke sirkuit tabung vakum. Apa? dengan banyak berdentang di bahwa saya hanya harus membuat pesawat tanah dan hanya membuat semua koneksi ke titik terdekat yang tersedia dari pesawat itu (melalui bila perlu). Melakukannya dengan baik tentu saja membuat tata letak lebih bersih dan sederhana. Tetapi setelah menempuh rute "titik tunggal" selama bertahun-tahun, dan memiliki sebagian besar desain yang sukses (artinya cukup dan stabil), saya ragu untuk berubah. Terutama karena beberapa argumen berbicara tentang alasan titik tunggal sebagai sesuatu yang kuno, dan diturunkan ke sirkuit tabung vakum. Apa? Terutama karena beberapa argumen berbicara tentang alasan titik tunggal sebagai sesuatu yang kuno, dan diturunkan ke sirkuit tabung vakum. Apa? Terutama karena beberapa argumen berbicara tentang alasan titik tunggal sebagai sesuatu yang kuno, dan diturunkan ke sirkuit tabung vakum. Apa?

Jadi, bagaimanapun, hanya mencari-cari, penelitian saya pada subjek tampaknya menunjukkan dua kubu pada subjek ini. Salah satu argumen adalah bahwa ketika sebuah pesawat ground yang tidak terputus tersedia, itu selalu unggul. Argumen lain mengatakan bahwa jika sirkuit frekuensi tinggi pesawat ground lebih baik, tetapi untuk sirkuit frekuensi rendah (termasuk audio), metode ground point tunggal lebih baik, sebagian besar untuk menghindari loop tanah.

Tentu saja saya masih memiliki dilema, karena biaya prototipe membatasi saya ke papan 2 lapis jika memungkinkan saat ini, dan ini berarti bahwa pesawat ground pseudo saya, paling tidak, akan menjadi tuangkan tembaga, rusak oleh beberapa jejak pendek di sana-sini . Tetapi sebelum menambahkan kompleksitas itu atau kemungkinan pengecualian pada aturan tersebut, saya ingin mengajukan pertanyaan khusus ini untuk diskusi umum: Untuk desain audio yang melibatkan OP Amps, kapan titik tunggal "skema dasar cara terbaik untuk pergi, dan kapan hanyalah "jalan terdekat terdekat ke tanah yang lebih sederhana" pilihan yang lebih baik (atau setidaknya memadai).

Sebagai contoh, dua screenshot layar ini menunjukkan dua versi yang sama dari papan yang sama, yang pada kenyataannya sekitar 4 "x 2.5". Pada bagian pertama Anda dapat melihat banyak jejak panjang di kedua sisi papan yang berpuncak pada satu bantalan berlabel AGND. Yang kedua hampir sirkuit yang sama, tetapi kali ini daerah miskin tembaga biru adalah bagian dari jaring tanah analog, sehingga semua jejak panjang telah pergi mendukung jalur terdekat ke tanah pesawat / tuangkan tembaga. Terlepas dari semua kemungkinan kritik tentang masalah tata letak lain yang mungkin dilihat, ini hanyalah sebuah contoh. Saya benar-benar ingin membatasi diskusi ini dengan pertanyaan awal.

versi ground titik tunggal versi ground titik tunggal

Versi jalur terdekat ke darat Versi jalur terdekat ke darat

operational-amplifier grounding groundloops Randy
sumber
Ini pertanyaan yang bagus! (Dari pengalaman saya yang terbatas) Saya suka ground point tunggal untuk audio DC (mungkin sampai 100kHz). (Ini juga agak mendapatkan tergantung.) Setelah Anda mendapatkan di atas itu (f> 1MHz.) Saya telah menemukan lebih baik untuk memiliki satu ground besar dengan beberapa koneksi ke ground panel / case depan. Saya menduga ada beberapa koneksi ke arus balik sinyal, pada titik tertentu Anda lebih peduli tentang induktansi dari garis tanah.
George Herold
Anda tahu, saya hampir mulai berpikir tentang induktansi dari jalan-jalan tanah yang panjang itu sebagai teman saya. Setelah semua, mereka tampaknya menghambat gain pada frekuensi di mana Anda tidak ingin mendapatkan di sirkuit audio! Dan ya ... pada pertanyaan penguatan, sirkuit khusus ini dirancang untuk berada di dekat satu kesatuan di sekitar, dan hanya berurusan dengan sinyal level garis (sekitar 100mV). Jadi itu bisa diperdebatkan dalam kasus seperti itu tidak masalah. Tetapi saya pikir saya lebih baik memiliki pikiran terbuka jika satu atau lain cara benar-benar lebih baik. Sekarang selain dari kerumitan perutean, pernahkah Anda mengalami efek negatif dari grounding titik tunggal?
Randy
Senyum, naikan Gain 10 ^ 4, BW DC- ~ 2-3 MHz. PCB ground titik tunggal pertama tidak terombang-ambing ... tetapi hampir. Itu memiliki gain jahat puncak frekuensi tinggi. Pada frekuensi tinggi induktansi bukan teman Anda. Saya pikir itu mengarah ke pergeseran fase. Pernahkah Anda melihat salah satu hal integritas sinyal, di mana mereka berbicara tentang di mana arus balik (gnd) mengalir?
George Herold
Saya telah mendengar bahwa pada frekuensi tinggi, bidang tanah adalah pilihan yang lebih baik, juga karena masalah induktansi. Masalahnya, tentu saja, adalah bahwa bahkan sirkuit yang ditujukan untuk audio mungkin berosilasi pada beberapa frekuensi tinggi yang tidak diinginkan. Jadi saya sudah terbiasa menambahkan jaringan RC ekstra untuk mencegah Mr Murphy. Saya kira terlepas dari metode mana yang terbaik, tidak ada yang membebaskan kita dari menambahkan blokade sirkuit terhadap masalah seperti itu. Yang lebih buruk ... induktansi jejak panjang, atau loop tanah di pesawat darat! ;-(
Randy

Jawaban:

4

Ada pro dan kontra untuk keduanya.

Pesawat ground penuh sinyal memiliki keuntungan bahwa sinyal 0V adalah integritas tinggi 0V ​​dan dapat diandalkan tetapi, tidak ketika ada arus yang mengalir dengan signifikansi apa pun. Meskipun bidang tanah memiliki impedansi sangat rendah, volt drop masih dapat terjadi ketika arus signifikan mengalir. Berapa volt drop yang menjadi masalah tergantung sepenuhnya pada sinyal terkecil yang ingin Anda perkuat.

Sistem titik bintang menghindari "arus signifikan" yang disebutkan dalam paragraf sebelumnya dengan memastikan bahwa trek membawa sinyal (trek balik 0v) ​​tidak berbagi dengan arus signifikan ini. Sisi buruknya adalah bahwa Anda berakhir dengan loop magnetik yang dapat memiliki tegangan yang diinduksi satu sama lain dan "arus signifikan" yang mengalir di trek yang berbeda dapat digabungkan.

Andy alias
sumber
Ya saya hargai itu. Pemikiran Anda mencerminkan pemikiran saya, dan saya memiliki beberapa sejarah di sana. Sekarang mari kita ambil kasus di mana sebagian besar referensi tanah adalah referensi murni yang membawa arus minimal. Seperti input + dari OP amp yang mereferensikan virtual ground hingga 1 meg ohm. Dan mari kita asumsikan lebih lanjut tentang rangkaian rendah saat ini, di mana semua keuntungan adalah tegangan (bukan daya). Apakah Anda mengatakan itu penting pada saat itu? Dan bagaimana dengan pendekatan hibrida ... di mana referensi murni terikat pada sebuah pesawat, tetapi semua pengembalian sinyal yang benar menggunakan jejak terisolasi kembali ke asal sumber tanah?
Randy
Saya juga dapat melihat bahwa terbatas pada dua lapisan, dan menggunakan tuang tembaga sebagai pengganti bidang padat, kebutuhan untuk menaruh beberapa jejak pada sisi "tuang" harus diminimalkan. Dalam contoh kedua saya, saya sudah bisa melihat di mana saya menembak kaki saya, memaksa arus tanah antara kanan bawah dan sisi kiri papan harus membungkus jalan mereka di sekitar jejak panjang dekat tengah bawah. Sejak itu saya telah menambahkan beberapa vias untuk merutekan semua ini ke lapisan atas, untuk membuat tembaga saya tuangkan selangkah lebih dekat ke bidang tanah.
Randy
1

Maaf telah menghidupkan kembali utas lama (semacam), tetapi OP (dan pembaca lain juga) mungkin menemukan dokumen ini menarik:

http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5450

Seperti yang saya pahami dokumen di atas, orang harus membedakan antara arus frekuensi tinggi (1MHz dan atas) dan rendah (1MHz dan lebih rendah) karena ini memiliki jalur arus balik yang berbeda. Oleh karena itu, bidang tanah padat / tunggal dapat digunakan selama jejak yang membawa sinyal dari frekuensi yang berbeda dikelompokkan bersama (yaitu sinyal frekuensi tinggi dengan sinyal frekuensi tinggi lainnya di satu sisi dan sinyal frekuensi rendah bersama-sama dengan sinyal frekuensi rendah lainnya di sisi lain ).

ElektronikSupersonik
sumber
Menarik, dan terima kasih. Saya akan mengatakan bahwa dalam desain sinyal campuran yang saya lakukan, seperti artikel yang menjelaskan saya selalu mencoba menggunakan pesawat ground split untuk menggali dan mengaudit area. Sejauh ini memiliki hasil yang baik, tetapi sekali lagi saya jarang bekerja dengan gain yang sangat tinggi, dan pekerjaan analog saya ada di ranah audio. Juga, saya telah memilih untuk pesawat tanah sederhana di beberapa desain audio sejak posting saya, dan papan telah berperilaku baik. Karena semua titik dasar saya membawa mendekati arus nol, saya kira itu tidak masalah. Saya menduga banyak args pola bintang yang paling penting untuk prototipe papan kabel tangan.
Randy