我真的应该将地平面分为模拟和数字部分吗?

电器工程 pcb设计 地面 地平面
2022-01-08 13:59:15

我即将设计我的第一个 PCB,作为我毕业项目的一部分。当然,作为第一步,我尽可能多地学习。我发现这篇由 3 部分组成的文章的一部分研究表明,将地平面分成模拟和数字部分是不必要的,在某些情况下甚至是有害的,这与我从教授那里学到的东西相矛盾。我还阅读了该站点上与地平面/浇注有关的所有线程。尽管大多数人同意这篇文章,但仍有一些主张分割地平面的观点。例如

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

作为一名 PCB 设计新手,我发现很难确定谁是正确的以及采用哪种方法。那么,我应该将地平面分为模拟和数字部分吗?我的意思是物理划分,要么用 PCB 切割,要么有 DGND 和 AGND 的单独多边形(未连接,或连接在一个点上)

也许是为了让您提出适合我未来 PCB 的建议,我告诉您。

PCB 将在 Eagle=> 2 层的免费版本中设计

PCB用于锂电池的测试和精确测量(电流和电压)。该板将通过数字接口 (GPIO/SPI (40 kHz)) 从 Raspberry Pi 进行控制。板上将有 3 个数据转换器(AD5684R、MAX5318、AD7175-2),以及用于数字侧预置 RTC 模块的连接器。模拟电源来自板载 LT3042 稳压器 (5.49 V) 上的外部稳压电源。此外,还有 LT6655B 5 V 电压基准。模拟部分本质上是一个直流电路,唯一真正的高频是 ADC 的内部 16 MHz 主时钟。

数字 3.3 V(主要用于为数字接口供电)将来自 Raspberry PI。因此,将有 2 个接地连接:外部电源和 Raspberry Pi 的数字接口。

在这方面还有一个问题:参考图 3,我如何确保来自数字接口的返回电流流向正确的接地连接(记住我有两个)?

额外的担忧:配电电路是否会干扰敏感测量?我打算通过在底层布线来将它们分开,但在单片接地层的情况下这不再是一个好主意

虽然我还在问:假设底部或多或少的单片接地层和顶部的信号/组件层,将旁路电容器的负极连接到接地层的最佳方法是什么?

4个回答

你必须考虑共享阻抗(不是电阻,真正的阻抗)。

考虑使用 GND 作为敏感模拟目的的 0V 参考的电路部分。显然,您希望这些“0V 参考”中的每一个都处于相同的“0V”电位。然而,流经 GND 平面的电流会在每个芯片的“0V”之上引入额外的误差电压。

现在画出你的 GND 的示意图,电流流过它。

如果你不拆分平面,但是你有大电流流过它,因为你把电源输入连接器放在左边,电源输出连接器放在右边,而超灵敏的模拟位在中间,那么你由于大电流流入 GND 并产生电压梯度,可能会出现问题。

根据频率,考虑阻抗(即电感,而不仅仅是电阻)。

现在,有几种解决方案。

  • 您可以将电源连接器放在更合理的位置(即电源输入旁边的电源输出),这样大电流就不会在您的 GND 平面中传播。这适用于所有承载大、嘈杂或高 di/dt 电流的电流环路,例如 DCDC 的内部环路,或它与其负载(例如 CPU)之间的环路,甚至是去耦电容之间的接地路径和它解耦的芯片。

确保你知道这些循环在哪里!按麻烦排序(大致为 AC 的“area * di/dt”或 DC 的“area * I”)。安置是必不可少的。具有紧密电流环路的良好布局使布局变得不那么令人头疼。

  • 您可以使用忽略共模噪声的差分放大器和 ADC。

如果要检测的电压位于高侧电流分流器上,则这是强制性的。现在假设您使用电流感应放大器。不要忘记其“输出参考”引脚上的任何电压(通常被错误标记为“GND”)直接添加到输出......所以不要将检测放大器粘贴在两个 MOSFET 之间,其“GND”引脚位于“电机”中间当前返回”路径...

  • 你也可以拆分飞机,但是你需要决定在哪里拆分它。并且(这是事情变得令人讨厌的地方)你将你的两个地面在直流电(或者如果你使用隔离器在高频下)连接在一起......

让我们将您的两个接地命名为 AGND 和 PGND(模拟和电源)。有人说要拆分,然后在 ADC 下加入 AGND/PGND 或 AGND/DGND。这意味着现在在 AGND 和 PGND 之间运行的任何电流都必须在 ADC 下方的接地链路中流动,这是最糟糕的地方。

一个很有意义的解决方案是“隐藏拆分”。安置是必不可少的。例如,您将电源/嘈杂的东西放在右边,而敏感的东西放在左边。你放置你的去耦电容,这样通过 GND 的电源电流回路就很短并且放置得很好。然后,由于您的电路板有两个明确定义的区域,您可以缩小连接它们的接地平面的宽度,以确保高电流不会在敏感位的接地中运行。

它非常直观且难以解释,正确放置连接器至关重要。

这些教程很好: https ://learnemc.com/emc-tutorials

简单地将 SLITS 引入 GND 平面就足以使数字/电源/继电器/电机垃圾远离微妙的模拟区域。[ 编辑 6 月 9 日显示一个狭窄的区域将实现 12dB/平方衰减。编辑 2019 年 6 月记得切开电源飞机(大麦人建议)]

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

关于狭缝位置与侵入电流入点和出点,我们可以预测什么?

示意图

模拟这个电路

当狭缝侵入电流时会发生什么?

示意图

模拟这个电路

假设 0.0005 欧姆/平方,我们沿着 PCB 的底部边缘大约有 40 微伏/平方。我们可以估计 I*R 电压降,由 PCB 右上角的 ONE APERE 引起,沿模拟区域内 PCB 的最底部边缘很简单

Slit_Atten = 狭缝长度/敏感区域内的整个环路长度

最底部的电压降(每平方)为

狭缝电压 * Slit_Atten

数学:狭缝是 4 个正方形,因此 4 * 40uV = 160uV。

Slit_Atten 为 4 个方格 / 20 个方格(整个循环外围)= 20%。

每平方 I*R 压降为 160uV * 20% = 32 uV。

这显示了在数字/噪声和模拟之间仅使用 NARROW 区域的价值。

这是另一种切开方法。

示意图

模拟这个电路

运算放大器需要安静的每平方电压 GND = 32 uVolts,每平方。不是很安静。该怎么办?

1)将狭缝进一步切入平面;现在是 80%,再到 95%,安静度可能会呈指数级提高;运行 SPICE sim 看看如何

2)使狭缝-----不窄----而是深,像这样

示意图

模拟这个电路

关于“L”形狭缝的衰减,我们可以预测什么?事实证明,我们可以预测狭窄区域每平方 12 dB 的衰减。放大看这个

示意图

模拟这个电路

真正的关键是始终放置,明智地执行此操作,任何一种设置都可以用于这样的事情,如果错误太严重,不仅电路板很难布线,而且很难获得你想要的精度。

当你有快速的事情进行时,实体平面规则,只要你在几个 ns 区域内有边缘速率(时钟速率无关紧要,边缘速率重要),你想要一个至少在那个区域下的实体平面,我通常做一个实体平面每次都在第一个原型中,如果它没有得到我想要的东西(我通常不需要更改它),以后再弄乱它。

现在,在您的情况下,直流精度很重要,通常最好使用差分传感来完成此类事情(确定要测量哪两点之间的电压并测量该电压,而不是相对于某个平面的那一点)。

仅仅因为您有一个平面并不意味着您需要在任意点连接它,例如,您可以决定将差分放大器中电阻器的“接地”端返回到与前级输入相同点的平面分压电阻,从而确保它们看到相同的电压,分层接地是一件好事,但是对于这些东西的差分测量规则。

5.49 对我来说似乎很乐观,abs max 不是你想要的。

解耦器通常直接连接到飞机上。

如果您决定拆分平面,那么您必须确保在控制线在两者之间通过的区域下方存在连续连接,您永远不要在平面中的拆分上运行任何跟踪。

考虑到您的低速,不要忘记您可以过度采样,并且抽取会扩展您的有效字长。

对此的一些说明。正如其他人指出的那样,当前循环不是您的朋友。您应该了解您的高功率/高速电路以及为其供电的位置。这两点之间的任何东西都直接在火场中,不要将您的 16 位 ADC 放在升压转换器和大功率 PWM 控制的 LED 之间。

地平面上的裂缝或护城河可能是有益的,但这些会很快涉及。要记住的最重要的事情是永远不要在高速/敏感信号线的飞机上越过裂缝您的信号线需要在它们旁边有一个返回电流路径。因此,如果您在 ADC 周围创建一个马蹄形,那么您还必须在该护城河周围路由所有信号。如果您绝对必须跨越一个裂缝,您可以使用一个本地电容器来连接单独的 GND 平面,但是您首先破坏了护城河的目的。假设你有一个多层板,但不这样做会不会那么痛苦。将拆分前的图层交换到具有统一参考平面的另一个平面。 注意这不适用于直流或低频信号/负载。他们很乐意沿着护城河走阻力最小的道路。 不要忘记您必须将 GND 平面中的分割与电源平面中的匹配分割相匹配!

为了使这更复杂,这适用于参考平面,即靠近信号层的接地平面。如果您有 8 层或更多层,那么如果您的敏感电路位于 L8 上,则 L2 平面上的内容并不重要。您也可以将电源层用作参考,但如今您通常拥有任意数量的电源层(5V、3.3V、1.8V、1.2V、-5V 等),因此问题电路只能参考电源层它源自.. 将 1.8V PHY 引用到 3.3V 平面是行不通的。除非,你知道,你在飞机之间再次提供那些缝合帽。

我已经完成了高速 ADC 多路复用电路,通过拆分 VCC 和 VCCA 以及 GND 和 AGND,实现了基本零噪声(~0.6 ADC 单元)水平。但我知道我在做什么,我花时间虔诚地绘制模拟线路并在下一层创建相关铜的“岛”等等。大多数时候,我只是把所有的理由放在一起,并注意电流循环。

更改层也算作平面中的拆分,因此您应该在附近有一个匹配的 GND 过孔,这样高速返回电流就不必走额外的弯路。

最后说明:返回电流遵循电阻最小的路径。对于低频,这是可用的最短实心铜布线,可能不会跟随您的信号/电源走线。对于更高的频率,它紧挨着驱动信号,因为分离会增加阻抗。这就是为什么当您创建不连续性导致反射、辐射射频频率、信号完整性损失、青蛙雨等时,交叉平面会以泪水告终。