Melacak jejak pesawat listrik yang terbelah

12

Sebagian besar sumber di internet membahas sinyal perutean melalui pesawat listrik yang terpisah dan cara melakukannya dengan benar. Solusi utama di sini adalah membuat jalur arus balik pendek. Saya bertanya-tanya apakah sinyal routing melalui pesawat catu daya terpisah (bukan bidang tanah) akan memiliki efek nyata pada integritas sinyal dan jika saya harus mengambil tindakan.

Situasi saya:

4-lapisan PCB:

  • Lapisan atas: sinyal
  • Bidang internal: tanah terbelah (analog / digital)
  • Internal Plane: pesawat catu daya yang terpecah (3.3V digital dan 3.3V analog relevan dalam kasus ini)
  • Lapisan bawah: sinyal

Saya merutekan beberapa sinyal jam di lapisan bawah mulai dari bagian digital ke bagian analog. Sinyal akan melintasi bidang daya yang memisahkan antara bagian digital dan analog (selisih 0,5 mm lebar). Saya akan memberikan jalur pengembalian arus yang solid pada bidang tanah (jembatan antara digital dan analog) sehingga arus balik tidak menjadi masalah.

Sinyal clock tepat di atas 12MHz, jejak lebar 0,2mm dan panjang maksimum 13,4cm. Jejak diakhiri dengan resistor seri.

signal-integrity Bianco Zandbergen
sumber
1
Sementara jawaban oleh David Kessner luar biasa, untuk panduan yang lebih terperinci Anda mungkin ingin membaca Artikel - artikel berikut oleh Keith Armstrong, diperlukan pendaftaran gratis dan bukunya, EMC untuk Papan Sirkuit Cetak oleh Keith Armstrong
Martin

Jawaban:

16

Jawaban cepat:

Sinyal apa pun yang melintasi pemisahan dalam daya ATAU bidang tanah buruk. Semakin tinggi tingkat switching (dan semakin cepat tepi sinyal), semakin buruk efeknya.

Jawaban panjangnya:

Ketika Anda berkata, "Saya akan memberikan jalur balik arus yang kokoh di bidang tanah (menjembatani antara digital dan analog) sehingga arus balik tidak boleh menjadi masalah", baik Anda tidak memahami masalahnya, atau saya tidak mengerti pernyataan Anda. Alasan saya mengatakan ini adalah bahwa Anda tidak dapat memiliki "jalur arus balik yang solid" dan masih memiliki bidang yang terpisah. Harus ada ketidak-solidan di sana.

Arus kembali akan mengalir pada kekuatan terdekat OR bidang tanah untuk sinyal. Jadi dalam kasus Anda, jika sinyal Anda berada di lapisan atas maka arus balik akan berada di lapisan tanah Anda. Tetapi jika sinyal Anda berada di lapisan bawah maka arus balik akan berada di lapisan daya. Untuk sebagian besar sinyal kecepatan sedang hingga tinggi, arus balik akan mengikuti jejak sinyal, dan tidak mengambil jalur terpendek. Dengan kata lain, arus balik akan mencoba untuk meminimalkan "area loop".

Jika sinyal Anda beralih dari bawah ke atas (atau sebaliknya) maka arus balik juga akan beralih, mengalir melalui penutup decoupling. Inilah sebabnya mengapa penting untuk menaburkan tutup decoupling di seluruh PCB, bahkan ketika itu terlalu jauh dari chip untuk membuat perbedaan pada daya.

Meminimalkan area loop sangat penting untuk integritas sinyal, meminimalkan EMI, dan mengurangi efek ESD.

Jika sinyal Anda memotong perpecahan di bidang daya / tanah maka arus balik terpaksa mengambil jalan memutar. Dalam beberapa kasus, jalan memutar ini dapat meningkatkan area loop sebanyak 2x atau bahkan 10x! Cara paling sederhana dan terbaik untuk menghindari ini adalah tidak menjalankan sinyal di split.

Beberapa papan memiliki bidang analog dan digital campuran, atau pada beberapa sistem memiliki beberapa rel daya. Berikut daftar hal-hal yang mungkin bisa membantu dalam situasi ini:

  1. Untuk hal-hal seperti jam atau jalur data aktif, Anda benar-benar tidak ingin melewati pemisahan. Beberapa perutean PCB kreatif adalah solusi terbaik, meskipun kadang-kadang Anda hanya perlu memiliki pesawat analog / digital gabungan daripada membelahnya.

  2. Untuk sinyal berkecepatan rendah, atau sinyal yang sebagian besar DC, Anda dapat melewati perpecahan tetapi hati-hati dan selektif tentang hal itu. Jika Anda bisa, memperlambat laju tepi menggunakan resistor dan mungkin topi. Biasanya resistor akan secara fisik menjembatani perpecahan.

  3. Hal-hal seperti resistor 0-ohm, atau tutup, dapat digunakan untuk menyediakan jalur pengembalian sinyal antara dua pesawat. Misalnya, jika sebuah sinyal melompati split, menambahkan penutup antara dua bidang di dekat sinyal dapat membantu. Namun berhati-hatilah, jika ini tidak dilakukan dengan baik maka itu bisa meniadakan efek positif memiliki perpecahan di tempat pertama (IE, menjaga kebisingan digital dari pergi ke pesawat analog). Hal yang menyenangkan tentang penggunaan topi atau resistor 0-ohm untuk ini adalah memungkinkan Anda untuk bermain-main dengan desain setelah PCB dibuat. Anda selalu dapat mengisi atau melepaskan komponen untuk melihat apa yang terjadi.

Sementara banyak desain PCB akan melibatkan semacam kompromi, cobalah untuk tidak kompromi kecuali Anda benar-benar harus melakukannya. Anda akan mengalami lebih sedikit sakit kepala, dan rambut lebih sedikit rontok, dengan melakukan itu.

Saya juga harus menunjukkan bahwa saya benar-benar menutupi masalah perubahan impedansi karena perpecahan, dan apa artinya. Meskipun penting, itu tidak sepenting meminimalkan area loop dan sebagainya. Dan memahami area loop jauh lebih mudah daripada memahami bagaimana perubahan impedansi akan mempengaruhi integritas sinyal.


sumber
Jika Anda benar-benar harus menggunakan topi untuk "menjahit" pesawat yang terbelah menjadi satu, pastikan Anda memasang tutupnya di kedua sisi pesawat. Insinyur memiliki kebiasaan buruk untuk mengasumsikan satu kaki topi selalu melekat pada GND dan yang lainnya ke beberapa VCC, ketika pada kenyataannya Anda akan menghubungkan kedua sisi ke GND atau kedua sisi ke VCC, tergantung pada pesawat yang Anda jahit. .
ajs410
Saya berasumsi bahwa arus balik akan melalui jalur tanah terdekat / singkat dan tidak memerlukan pesawat listrik yang tampaknya salah
Bianco Zandbergen
@Bianco, ia akan mengikuti jalur apa pun yang meminimalkan induktansi. Apa yang kita sebut daya masih berupa lempengan meta yang ditahan pada tegangan konstan dan akan membentuk jalur balik. Itu karena pada chip Anda harus ada topi decoupling, sinyal dapat menggunakan ini untuk "menyelesaikan" sirkuit jika diperlukan. Seringkali Anda mengganti sinyal daya juga, dalam hal ini tutup tidak diperlukan.
Kortuk
4

Saya harus menendang kebijakan konvensional ke pinggir jalan. Setidaknya untuk papan RF yang telah saya lakukan, saya telah menemukan bahwa kinerja ditingkatkan dengan tidak memiliki dasar split untuk analog dan digital. Alih-alih, menggunakan bidang tanah padat dan melakukan gerakan tanah untuk menjaga jalur induktansi / resistansi rendah ke satu titik simpul tanah terpadu telah bekerja lebih baik untuk jenis produk yang telah saya lakukan, terutama ukuran kecil (genggam) dan berat RF (penerima) dan pemancar dalam jangkauan 500 MHz ke atas.

Saya biasanya tidak menggunakan pesawat Power, karena tidak membutuhkan banyak jejak untuk menjatuhkan jejak penurunan tegangan IR ke kisaran microvolt, dan saya lebih suka memiliki tanah di sana.

Hanya pendekatan lain.

rfdave
sumber
Saya membaca saran seperti ini secara teratur dan saya berpendapat bahwa mereka yang tidak mendapatkan hasil yang lebih baik dengan rencana terpisah tidak melakukannya dengan benar. Merancang papan RF kecepatan tinggi adalah bisnis yang serius, merancang papan RF kecepatan tinggi dengan alasan analog dan digital terpisah adalah bisnis yang lebih serius. Ini pendapat, tetapi dengan praktik desain yang hebat dan desain yang membosankan, papan yang terpisah dapat menerima manfaat untuk sistem analog Anda. Garis-garis digital itu hanya menghasilkan frekuensi sangat banyak. Jika Anda memiliki digital kecepatan sangat rendah maka digital Anda tidak perlu dipisahkan.
Kortuk
Saya pikir itu, seperti kebanyakan rekayasa bukanlah tugas yang mudah yang memiliki ruang solusi yang sama setiap waktu. Itu sebabnya mereka membayar insinyur dengan baik.
Kortuk
@ Kortuk-Negatif ganda agak membingungkan. Saya anggap Anda mengatakan bahwa jika Anda melakukannya dengan benar, pesawat yang terbelah akan memberi Anda hasil yang lebih baik? Itu bukan pengalaman saya, tetapi Anda benar bahwa tidak ada ruang solusi yang sama setiap kali, yang mungkin merupakan poin lebih besar! Anda harus memulai dengan denah lantai yang baik, memisahkan catu daya analog, digital, dan catu daya sebanyak mungkin untuk memulainya, atau Anda berenang di hulu ...
rfdave
@Kortuk: Howard Johnson di "High Speed ​​Digital Design" mengadvokasi untuk satu pesawat darat cukup kuat.
darron
1

Orang mungkin bertanya - mengapa sinyal jam masuk ke wilayah analog? Mungkin Anda perlu mengatur pesawat Anda untuk membawa tanah digital ke sisi digital DAC / ADC Anda (saya berasumsi bahwa 'apa yang terjadi di sini.)

Toybuilder
sumber
Itu memang sinyal jam untuk ADC. Input osilator kristal berada di bagian analog chip. Saya memilih untuk tidak menggunakan kristal eksternal tetapi memberikan sinyal jam eksternal. Sinyal ini dihasilkan secara terpusat di bagian digital dan didistribusikan di seluruh papan melalui buffer.
Bianco Zandbergen
@Bianco, itu terdengar seperti sumber sejumlah besar masalah kebisingan. Jam frekuensi tinggi adalah iblis dalam detailnya.
Kortuk
Saya sedang mengerjakan ulang desain saya sekarang untuk menggunakan beberapa sumber jam bukan yang pusat. Saya ingin menghindari ejekan unnessecary dengan iblis.
Bianco Zandbergen
Selain sinyal clock, jalur data ADC Anda juga harus terhubung - banyak ADC dirancang untuk memiliki DGND dan AGND yang terpisah, dan untuk memisahkan pin digital dari analog - Anda kemudian dapat membagi bidang tanah tepat di bawah IC. (lihat analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-031.pdf gambar 8) Apakah pemisahan itu tidak ada di ADC Anda?
Toybuilder
1

Jam tidak harus melalui vias. Ada harga induktansi dan kapasitansi yang Anda bayar ketika Anda menggunakan vias dan karena frekuensi clock Anda meningkat ini pada akhirnya akan menggigit Anda. Ini juga memaksa arus balik jam melalui penutup decoupling. Ini benar-benar hanya praktik terbaik untuk menjaga jam pada satu lapisan.

Ini merupakan tambahan untuk saran di atas.

ajs410
sumber
1
Itu benar-benar tergantung pada papan tulis. Untuk PCB 4 layer, Anda benar sekali. Untuk papan dengan lebih dari 4 lapisan, mungkin lebih baik meletakkan jam Anda pada lapisan dalam (di antara bidang daya / bidang). Jika ada lapisan sinyal antara bagian atas dan bidang pertama maka impedansi jejak di bagian atas akan mengerikan sehingga menempatkan jam pada lapisan yang berbeda bisa menjadi nilai tambah. Dan akhirnya, untuk BGA, Anda sering tidak bisa mengipasi sinyal tanpa masuk ke lapisan dalam - dalam hal ini Anda tidak punya pilihan. Ini membantu untuk menempatkan tutup di dekat jam melalui, untuk mengurangi arus loop.
1

Tergantung pada kecepatan jam dan peruteannya, saya berharap Anda dapat mengambil manfaat dari melewatinya melalui perangkat di batas kedua pesawat, input yang relatif terhadap bidang digital dan output yang relatif terhadap pesawat analog. Jika jam digunakan untuk berbagai keperluan, Anda juga bisa memagarinya sehingga hanya pulsa jam yang benar-benar relevan dengan ADC yang akan melewati batas.

supercat
sumber
1

Routing jam Anda di pesawat daya split akan memiliki dampak negatif. Seperti yang beberapa orang lain sebutkan, lebih baik menggunakan satu bidang tanah padat dan mempartisi perutean analog dan digital Anda agar tetap terisolasi. Saya akan khawatir tentang EMI dengan jam Anda pergi ke pesawat split (terlihat seperti antena slot) dan Anda mungkin ingin mempertimbangkan mengubah dari pemutusan seri ke paralel untuk garis jam Anda.

Saya tidak mengatakan bahwa melintasi pesawat split dalam jenis pengaturan ini tidak dapat dilakukan tetapi Anda harus berhati-hati dan memahami bahwa akan ada risiko yang terlibat bahwa Anda tidak akan dapat dengan mudah mengukur.

Jika Anda ingin mempertahankan tata letak seperti ini, saya ingin di beberapa catatan aplikasi oleh orang-orang ADC seperti Perangkat Analog (atau chip vendor ADC Anda) untuk melihat rekomendasi apa yang mereka miliki untuk melakukan jenis tata letak bidang terbagi.

Tim Coyle
sumber
0

Sayangnya, medan listrik akan mendorong elektron untuk mengeksplorasi SEMUA jalur balik yang mungkin, sebanding dengan konduktansi (kerentanan, untuk sinyal AC).

Ya, beberapa jalur akan lebih disukai karena memiliki impedansi yang lebih rendah. Tetapi beberapa elektron masih akan mengambil jalur lain, karena jalur lain itu ada.

Pada frekuensi jauh di atas SkinFrequency (5MHz untuk 35 mikron 1-ons / kaki ^ 2), elektron tidak punya waktu untuk menembus foil, dan (kebanyakan) tetap di satu sisi. Pada 20MHz, Anda memiliki 2 SkinDepths, atau 2 * 8.9dB = 18dB pengurangan (hampir 10: 1). Pada 80MHz, Anda memiliki 4 SkinDepths, atau 4 * 8.9dB = 36dB pengurangan (hampir 180: 1). Pada 320MHz (mungkin tepi 1nanosecond), Anda memiliki 8 SkinDepths atau 8 * 8.9dB = 72dB pengurangan (lebih dari 30.000: 1).

Catatan di sana MASIH ADALAH GERAKAN elektron melalui foil, ke sisi yang menghadap jauh dari jejak agresor Anda. Masih ada I * R drop di sisi "tenang" pesawat.

analogsystemsrf
sumber