Haruskah saya benar-benar membagi bidang tanah menjadi bagian-bagian analog dan digital?

Saya akan merancang PCB pertama saya sebagai bagian dari proyek kelulusan saya. Tentu saja, sebagai langkah pertama, saya berusaha belajar sebanyak mungkin. Bagian dari penelitian saya menemukan artikel 3 bagian ini , yang menunjukkan bahwa itu tidak perlu dan dalam beberapa kasus bahkan berbahaya untuk membagi bidang tanah menjadi bagian analog dan digital, yang bertentangan dengan apa yang telah saya pelajari dari prof. Saya juga membaca semua utas di situs ini yang berkaitan dengan ground plane / tuangkan. Meskipun mayoritas setuju dengan artikel tersebut, masih ada beberapa pendapat yang menganjurkan pesawat split ground. misalnya

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

Sebagai pemula desain PCB, saya merasa bingung dan sulit untuk memutuskan siapa yang benar dan pendekatan mana yang harus diambil. Jadi, haruskah saya membagi bidang tanah menjadi bagian-bagian analog dan digital? Maksud saya pembagian fisik, baik dengan potongan PCB atau memiliki poligon terpisah untuk DGND dan AGND (baik tidak terhubung, atau terhubung dalam satu titik)

Mungkin untuk memungkinkan Anda membuat rekomendasi, yang disesuaikan dengan calon PCB saya, saya beri tahu Anda tentang itu.

PCB akan dirancang dalam versi gratis dari Eagle => 2 layer

PCB untuk pengujian dan pengukuran yang tepat (arus & tegangan) baterai lithium. Papan akan dikendalikan dari Raspberry Pi melalui antarmuka digital (GPIO / SPI (40 kHz)). Akan ada 3 konverter data di papan (AD5684R, MAX5318, AD7175-2), dan konektor untuk modul RTC prebuilt di sisi digital. Daya analog berasal dari catu daya eksternal yang diatur melalui regulator tegangan LT3042 onboard (5,49 V). Selain itu ada referensi tegangan LT6655B 5 V. Bagian analog pada dasarnya adalah rangkaian DC, satu-satunya HF yang sebenarnya adalah clock master internal 16 MHz dari ADC.

Digital 3.3 V (terutama untuk menyalakan antarmuka digital) akan bersumber dari Raspberry PI. Dengan demikian, akan ada 2 koneksi ground: catu daya eksternal dan ke antarmuka digital Raspberry Pi.

Dalam hubungan ini pertanyaan lain: merujuk pada Gambar 3 , bagaimana saya memastikan bahwa arus balik dari antarmuka digital mengalir ke koneksi ground yang benar (ingat saya punya 2 dari mereka)?

Kekhawatiran tambahan: dapatkah distribusi daya mengganggu pengukuran sensitif? Saya akan memisahkan mereka dengan mengarahkan daya pada lapisan bawah, tetapi itu bukan lagi ide yang baik dalam kasus bidang tanah monolitik

Dan sementara saya masih bertanya: Dengan asumsi lebih atau kurang bidang tanah monolitik di bagian bawah dan lapisan sinyal / komponen di atas, apa cara terbaik untuk menghubungkan sisi negatif kapasitor bypass ke bidang tanah?

Anda harus berpikir dalam hal impedansi bersama (bukan perlawanan, benar-benar impedansi).

Pertimbangkan bagian-bagian dari rangkaian yang menggunakan GND sebagai referensi 0V untuk tujuan analog yang sensitif. Tentunya Anda ingin masing-masing "referensi 0V" ini berada pada potensi "0V" yang sama. Namun saat ini berjalan melalui pesawat GND akan memperkenalkan tegangan kesalahan ekstra di atas setiap chip "0V".

Sekarang gambarlah skema GND Anda, dengan arus yang mengalir melaluinya.

Jika Anda tidak membelah pesawat, tetapi Anda memiliki arus tinggi yang melewatinya, karena Anda meletakkan konektor input daya di sisi kiri, konektor output daya di sisi kanan, dan bit analog super sensitif di tengah, maka Anda mungkin memiliki masalah karena arus yang tinggi mengalir di GND dan menciptakan gradien tegangan.

Tergantung pada frekuensi, pertimbangkan impedansi (yaitu, induktansi, bukan hanya hambatan).

Sekarang, ada beberapa solusi untuk ini.

• Anda dapat meletakkan konektor daya Anda di tempat yang lebih masuk akal (yaitu, input daya di sebelah output daya) sehingga arus tinggi tidak bepergian di pesawat GND Anda. Ini berlaku untuk semua loop saat ini yang membawa arus di / dt besar, berisik, atau tinggi, seperti loop internal DCDC, atau loop di antara itu dan bebannya (katakanlah, cpu) atau bahkan jalan tanah antara tutup decoupling dan chip itu terpisah.

Pastikan Anda tahu di mana loop ini berada! Pesanlah berdasarkan kesulitan (kira-kira "area * di / dt" untuk AC atau "area * I" untuk DC). Penempatan sangat penting. Penempatan yang baik dengan loop arus yang ketat membuat tata letak jauh lebih sedikit dari sakit kepala.

• Anda dapat menggunakan penguat diferensial dan ADC yang mengabaikan kebisingan mode umum.

Ini wajib jika tegangan untuk merasakan berada pada pirau arus sisi tinggi. Sekarang katakanlah Anda menggunakan indera perasa saat ini misalnya. Jangan lupa tegangan apa pun pada pin "referensi keluaran" (sering salah diberi label "GND") langsung ditambahkan ke output ... jadi jangan menempelkan ampli antara dua MOSFET dengan pin "GND" di tengah "motor" jalur pengembalian "saat ini ...

• Anda juga bisa membagi pesawat, tetapi kemudian Anda harus memutuskan di mana Anda akan membaginya. Dan (di sinilah segala sesuatunya menjadi tidak menyenangkan) di mana Anda menghubungkan dua dasar Anda bersama-sama di DC (atau pada frekuensi tinggi jika Anda menggunakan isolator ...

Sebutkan dua alasan Anda AGND dan PGND (analog dan daya). Beberapa mengatakan untuk berpisah, dan bergabung dengan AGND / PGND atau AGND / DGND di bawah ADC. Ini berarti setiap arus yang berjalan antara AGND dan PGND harus mengalir di ground link di bawah ADC sekarang, yang merupakan tempat terburuk yang mungkin terjadi.

Solusi yang masuk akal adalah "pemisahan tersembunyi". Penempatan sangat penting. Misalnya Anda meletakkan benda power / berisik di sebelah kanan, dan barang sensitif di sebelah kiri. Anda menempatkan caps decoupling Anda sehingga loop pasokan mengalir melalui GND pendek dan ditempatkan dengan baik. Kemudian, karena papan Anda memiliki dua zona yang terdefinisi dengan baik, Anda dapat mempersempit lebar bidang tanah yang menghubungkannya, untuk memastikan arus tinggi tidak berjalan di tanah bit sensitif.

Ini sangat visual dan sulit untuk dijelaskan, dan menempatkan konektor Anda dengan benar sangat penting.

Tutorial ini bagus: https://learnemc.com/emc-tutorials

Cukup dengan memasukkan SLIT ke dalam pesawat GND mungkin cukup untuk membuat sampah digital / daya / relai / motor keluar dari area analog yang rumit. [EDIT 9 Juni Menunjukkan wilayah sempit akan mencapai redaman 12dB / persegi. EDIT Juni 2019 Ingatlah untuk memotong Power Plane juga (disarankan oleh barleyman)]

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Apa yang dapat kita prediksi tentang penempatan celah versus titik masuk dan keluar saat ini?

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Apa yang akan terjadi, ketika celah masuk ke dalam arus?

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Kami memiliki sekitar 40 microvolts / persegi di sepanjang tepi bawah PCB, dengan asumsi 0,0005 Ohm / persegi. Kita dapat memperkirakan penurunan tegangan I * R, yang disebabkan oleh ONE AMPERE di kanan atas PCB, di sepanjang tepi paling bawah dari PCB di dalam wilayah analog hanya dengan

Slit_Atten = panjang celah / seluruh panjang lingkaran di dalam wilayah sensitif

Tegangan jatuh di bagian paling bawah (per persegi) adalah

Tegangan melintasi celah * Slit_Atten

Matematika: celah adalah 4 kotak, dengan demikian 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten adalah 4 kotak / 20 kotak (seluruh lingkaran) = 20%.

Penurunan I * R per_square adalah 160uV * 20% = 32 uV.

Ini menunjukkan nilai menggunakan hanya daerah NARROW antara digital / noise dan analog.

Inilah cara lain untuk menggorok.

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Tegangan per kotak di mana OpAmps membutuhkan GND yang tenang = 32 uVolts, per kotak. Tidak terlalu sunyi. Melakukan apa?

1) memotong celah lebih jauh ke dalam pesawat; sekarang pada 80%, pergi ke 95% dan kemungkinan mendapatkan peningkatan eksponensial dalam ketenangan; jalankan sim SPICE dan lihat caranya

2) membuat celah ----- tidak menyempit ---- tapi dalam, seperti ini

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Apa yang bisa kita prediksi tentang pelemahan celah "L"? Ternyata kita dapat memprediksi redaman 12 dB per kuadrat dari wilayah yang dipersempit. Kami memperbesar, dan melihat ini

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Kuncinya adalah penempatan SELALU , lakukan ini dengan cerdas dan pengaturan apa pun dapat bekerja untuk hal seperti ini, lakukan kesalahan yang terlalu buruk dan tidak hanya papan akan sangat sulit untuk dirutekan, tetapi juga akan sulit untuk mendapatkan presisi yang Anda inginkan.

Pesawat solid memerintah ketika Anda memiliki hal-hal cepat terjadi, setiap kali Anda memiliki tingkat tepi di beberapa wilayah ns (laju Clock tidak masalah, tingkat tepi tidak), Anda ingin pesawat padat di bawah setidaknya wilayah itu, saya biasanya melakukan pesawat padat dalam prototipe pertama setiap kali dan mengacaukannya nanti jika tidak mendapatkan apa yang saya inginkan (saya biasanya tidak perlu mengubahnya).

Sekarang dalam kasus Anda akurasi DC penting, dan umumnya hal-hal seperti itu paling baik dilakukan dengan penginderaan diferensial (Tentukan dua titik yang Anda ingin mengukur tegangan antara dan mengukur tegangan itu, bukan yang relatif terhadap beberapa pesawat).

Hanya karena Anda memiliki pesawat tidak berarti Anda harus menyambungkannya pada titik-titik yang berubah-ubah, Anda dapat, misalnya, memutuskan untuk mengembalikan ujung 'grounded' dari sebuah resistor dalam amp diferensial ke pesawat pada titik yang sama dengan input tahap sebelumnya. resistor pembagi, sehingga memastikan bahwa mereka melihat tegangan yang sama, alasan hierarkis adalah hal yang baik, tetapi aturan pengukuran diferensial untuk hal ini.

5,49 tampaknya optimis bagi saya, abs max bukanlah tempat yang Anda inginkan.

Decoupler umumnya langsung menuju ke pesawat.

Jika Anda memutuskan untuk membagi pesawat, maka Anda harus memastikan bahwa ada koneksi terus menerus di bawah area di mana garis kontrol melewati antara keduanya, Anda tidak pernah menjalankan jejak selama split di pesawat.

Mengingat kecepatan rendah Anda, jangan lupa bahwa Anda dapat mengambil sampel berlebih, dan penipisan itu memperpanjang panjang kata efektif Anda.

Beberapa catatan tentang ini. Seperti yang telah ditunjukkan orang lain, loop saat ini bukan teman Anda. Anda harus mengetahui daya tinggi / sirkuit kecepatan tinggi dan di mana daya disuplai kepada mereka. Apa pun di antara kedua titik ini secara langsung di lapangan kebakaran, jangan letakkan ADC 16-bit Anda di antara boost converter dan LED terkontrol PWM daya tinggi ..

Perpecahan atau parit di bidang tanah bisa bermanfaat tetapi ini terlibat dengan cepat. Yang paling penting untuk diingat adalah untuk TIDAK PERNAH MENYINTIP LETAK DI PESAWAT DENGAN LINE SINYAL KECEPATAN / SENSITIF . Jalur sinyal Anda memerlukan jalur arus balik tepat di sebelahnya. Jadi, jika Anda membuat tapal kuda di sekitar ADC, Anda harus merutekan semua sinyal di sekitar parit juga. Jika Anda benar-benar harus melewati pemisahan, Anda bisa menggunakan kapasitor lokal untuk menautkan pesawat GND yang terpisah, tetapi kemudian Anda mengalahkan tujuan parit di posisi pertama. Anggap Anda punya papan multi-layer tapi itu akan jauh lebih menyakitkan hanya untuk tidak melakukannya. Tukar layer sebelum split ke bidang lain yang memiliki bidang referensi seragam. NBini tidak berlaku untuk DC atau sinyal / muatan frekuensi rendah. Mereka cukup senang untuk mengikuti jalan perlawanan paling tidak di sekitar parit. Jangan lupa Anda harus mencocokkan split di pesawat GND dengan yang cocok dengan split di pesawat power!

Untuk membuat ini lebih rumit ini berlaku untuk bidang referensi yaitu bidang tanah di sebelah lapisan sinyal. Jika Anda memiliki 8 lapisan atau lebih, tidak masalah apa yang ada di pesawat L2 jika sirkuit sensitif Anda pada L8. Anda dapat menggunakan power plane sebagai referensi juga tetapi seringkali hari ini Anda memiliki sejumlah power plane (5V, 3.3V, 1.8V, 1.2V, -5V, apa pun) sehingga sirkuit yang menyinggung hanya dapat dirujuk ke power plane itu berasal dari .. Merujukkan pesawat 1.8V PHY ke 3.3V tidak akan berfungsi. Kecuali, Anda tahu, Anda memberikan topi jahitan lagi di antara pesawat.

Saya telah melakukan sirkuit multipleks ADC kecepatan tinggi yang pada dasarnya mencapai tingkat noise nol (~ 0,6 unit ADC) dengan memecah VCC dan VCCA plus GND dan AGND. Tapi saya tahu apa yang saya lakukan dan saya menghabiskan waktu dengan religius memetakan garis-garis analog dan menciptakan "pulau-pulau" dari tembaga terkait pada lapisan berikutnya dan seterusnya. Sebagian besar waktu saya hanya menyimpan semua alasan bersama dan memikirkan loop saat ini.

Mengubah lapisan juga dianggap sebagai split di pesawat sehingga Anda harus memiliki GND yang cocok via (s) di dekatnya sehingga arus balik kecepatan tinggi tidak harus membuat jalan memutar tambahan.

Catatan akhir : Arus balik mengikuti jalur dengan resistansi terendah. Untuk frekuensi rendah itulah rute tembaga padat tersingkat yang mungkin tidak mengikuti jejak sinyal / daya Anda. Untuk frekuensi yang lebih tinggi tepat di sebelah sinyal penggerak karena pemisahan meningkatkan impedansi. Itulah sebabnya pesawat yang bersilangan berakhir dengan air mata saat Anda menciptakan diskontinuitas yang menghasilkan pantulan, frekuensi RF yang dipancarkan, kehilangan integritas sinyal, hujan katak, dan sebagainya.

Anda benar-benar dapat memisahkan daya dan ground untuk analog dan digital. Gunakan konverter DC-DC terisolasi dan isolasi-opto untuk antarmuka digital di antara keduanya.