Punto único vs plano de tierra, en audio OP AMP PCB diseños

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Recientemente había publicado una pregunta aparentemente inocente en otro foro. Estaba tratando de mantener un circuito pequeño y relativamente simple en una placa de 2 capas y estaba preguntando sobre los méritos de blindaje de un vertido de cobre conectado a tierra analógica, en lugar de dedicar un plano separado ininterrumpido utilizado para la tierra. Aunque mi pregunta fue solo en referencia al valor de protección de un vertido de cobre, una gran controversia comenzó en un punto completamente diferente. En mi diseño, había creado una tierra virtual usando el divisor de voltaje típico que alimentaba un amplificador OP configurado para ganancia unitaria, y luego había ejecutado cada retorno de tierra analógica a un punto adyacente a la salida de esa tierra virtual. También hice un vertido de cobre en la capa menos ocupada y la até a esa misma tierra analógica, nuevamente en ese mismo punto. Pero pronto se produjo una serie de publicaciones que criticaban mi uso de un esquema tan intrincado de "tela de araña", con muchos repicados en el sentido de que debería crear un plano de tierra y simplemente hacer todas las conexiones al punto disponible más cercano de ese avión (a través de cuando necesario). Hacerlo bien sin duda hace que el diseño sea más limpio y simple visualmente. Pero después de haber seguido la ruta del "punto único" durante tantos años, y tener diseños en su mayoría exitosos (es decir, bastante y estables), dudo en cambiar. Especialmente porque algunos de los argumentos hablaban de motivos de un solo punto como algo arcaico, y relegados a los circuitos de tubos de vacío. ¿Qué? con muchos repicados en eso, debería crear un plano de tierra y hacer todas las conexiones al punto disponible más cercano de ese plano (a través de vía cuando sea necesario). Hacerlo bien sin duda hace que el diseño sea más limpio y simple visualmente. Pero después de haber seguido la ruta del "punto único" durante tantos años, y tener diseños en su mayoría exitosos (es decir, bastante y estables), dudo en cambiar. Especialmente porque algunos de los argumentos hablaban de motivos de un solo punto como algo arcaico, y relegados a los circuitos de tubos de vacío. ¿Qué? con muchos repicados en eso, debería crear un plano de tierra y hacer todas las conexiones al punto disponible más cercano de ese plano (a través de vía cuando sea necesario). Hacerlo bien sin duda hace que el diseño sea más limpio y simple visualmente. Pero después de haber seguido la ruta del "punto único" durante tantos años, y tener diseños en su mayoría exitosos (es decir, bastante y estables), dudo en cambiar. Especialmente porque algunos de los argumentos hablaban de motivos de un solo punto como algo arcaico, y relegados a los circuitos de tubos de vacío. ¿Qué? Especialmente porque algunos de los argumentos hablaban de motivos de un solo punto como algo arcaico, y relegados a los circuitos de tubos de vacío. ¿Qué? Especialmente porque algunos de los argumentos hablaban de motivos de un solo punto como algo arcaico, y relegados a los circuitos de tubos de vacío. ¿Qué?

De todos modos, solo hurgando, mi investigación sobre el tema parecía mostrar dos campos sobre este tema. Un argumento es que cuando hay disponible un plano de tierra ininterrumpido, siempre es superior. El otro argumento dice que si es un circuito de alta frecuencia, un plano de tierra es mejor, pero para un circuito de baja frecuencia (incluyendo audio), el método de tierra de un solo punto es mejor, principalmente para evitar bucles de tierra.

Por supuesto, todavía tengo un dilema, ya que los costos de los prototipos me limitan a un tablero de 2 capas si es posible esta vez, y esto significa que mi pseudo plano de tierra será, en el mejor de los casos, un vertido de cobre, roto por algunos trazos cortos aquí y allá . Pero antes de agregar esa complejidad o posible excepción a la regla, me gustaría plantear esta pregunta específica para una discusión general: para un diseño de audio que involucra amplificadores operacionales, cuándo es un "punto básico", el camino a seguir, y cuándo es simplemente el "camino más cercano a un plano de tierra" más simple, la mejor opción (o al menos una adecuada).

A modo de ejemplo, estas capturas de pantalla de dos capas muestran dos versiones razonablemente similares de la misma placa, que en realidad es de aproximadamente 4 "x 2.5". En el primero, puede ver muchos rastros largos a ambos lados del tablero que culminan en un solo panel etiquetado AGND. El segundo es casi el mismo circuito, pero esta vez el área pobre de cobre azul es parte de la red de tierra analógica, por lo que todas esas trazas largas se han ido a favor del camino más cercano al plano de tierra / vertido de cobre. Aparte de todas las críticas posibles sobre otros problemas de diseño que uno pueda ver, este es solo un ejemplo. Realmente me gustaría limitar esta discusión a la pregunta original.

versión de tierra de un solo punto versión de tierra de un solo punto

Versión del camino más cercano al plano de tierra Versión del camino más cercano al plano de tierra

Cachondo
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¡Esta es una gran pregunta! (Desde mi experiencia limitada) Me gusta la conexión a tierra de un solo punto para DC-audio (quizás a 100kHz). (También depende un poco de la ganancia). Una vez que supere eso (f> 1MHz.) He descubierto que es mejor tener una gran tierra con múltiples conexiones al panel frontal / tierra de la carcasa. Supongo que hay alguna conexión con las corrientes de retorno de la señal, en algún momento te importa más la inductancia de la línea de tierra.
George Herold
Sabes, casi he comenzado a pensar en la inductancia de esos largos caminos de tierra como mi amigo. Después de todo, ¡parecerían inhibir la ganancia en frecuencias donde no querrías ganancia en un circuito de audio! Y sí ... en la cuestión de ganancia, este circuito en particular está diseñado para estar cerca de la unidad y solo tratar con señales de nivel de línea (alrededor de 100 mV). Por lo tanto, es discutible en un caso como ese no importaría mucho. Pero creo que sería mejor tener una mente abierta si de una forma u otra es verdaderamente mejor. Ahora, aparte de la molestia de enrutamiento, ¿ha experimentado algún efecto negativo de la conexión a tierra de un solo punto?
Randy
Sonrisa, bien una ganancia de 10 ^ 4, BW DC- ~ 2-3 MHz. El primer pcb de tierra de un solo punto no oscilaba ... pero casi. Tenía una ganancia maliciosa en una frecuencia alta. A alta frecuencia, la inductancia no es tu amiga. Creo que lleva a un cambio de fase. ¿Has mirado alguna de las cosas de integridad de señal, donde hablan sobre dónde fluyen las corrientes de retorno (gnd)?
George Herold
He estado escuchando que a altas frecuencias, el plano de tierra es la mejor opción, probablemente debido a ese problema de inductancia. El problema, por supuesto, es que incluso un circuito destinado al audio puede oscilar a una frecuencia alta no deseada. Así que me he acostumbrado a agregar esas redes RC adicionales para evitar al Sr. Murphy. Supongo que independientemente del método que sea mejor, ninguno nos libera de agregar esos bloqueos de circuito contra tales problemas. Lo que es peor ... ¡inductancia de trazas largas o bucles de tierra en planos de tierra! ;-(
Randy

Respuestas:

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Hay pros y contras para cualquiera.

Una señal de plano de tierra completo tiene la ventaja de que la señal 0V es un 0V de alta integridad y se puede confiar en ella, pero no cuando hay corrientes que fluyen de alguna importancia. A pesar de que un plano de tierra tiene una impedancia muy baja, las caídas de voltios aún pueden ocurrir cuando fluyen corrientes significativas. La cantidad de caída de voltios que sea un problema depende completamente de la señal más pequeña que desee amplificar.

Un sistema de puntos en estrella evita esas "corrientes significativas" mencionadas en el párrafo anterior asegurándose de que las pistas llevan señales (pistas de retorno de 0v) que no se comparten con estas corrientes significativas. El lado negativo es que terminas con bucles magnéticos que pueden tener voltajes inducidos entre sí y la "corriente significativa" que fluye en una pista diferente se puede acoplar.

Andy alias
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Bueno, te lo agradezco. Tu pensamiento refleja el mío, y tengo algo de historia allí. Ahora tomemos un caso en el que la mayoría de las referencias de tierra son referencias puras con una corriente mínima. Como la entrada + de un amplificador OP que hace referencia a tierra virtual a través de 1 megaohmio. Y supongamos que es un circuito de baja corriente, donde todas las ganancias son ganancias de voltaje (no de potencia). ¿Dirías que incluso importa en ese punto? ¿Y qué pasa con un enfoque híbrido ... donde esas referencias puras están vinculadas a un plano, pero todos los retornos de señal verdaderos utilizan trazas aisladas de regreso al origen de la fuente terrestre?
Randy
También puedo ver que, al estar limitado a dos capas, y al usar un vertido de cobre en lugar de un plano sólido, la necesidad de colocar algunas trazas en el lado de "vertido" debe minimizarse. En mi segundo ejemplo, ya puedo ver dónde me pegué un tiro en el pie, obligando a las corrientes de tierra entre la parte inferior derecha y la izquierda del tablero a tener que abrirse paso alrededor de esas largas huellas cerca del centro inferior. Desde entonces, agregué algunas vías para redirigir todo esto a la capa superior, para hacer que mi cobre se vierta un paso más cerca de un plano de tierra.
Randy
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Perdón por revivir el hilo antiguo (más o menos), pero OP (y otros lectores también) pueden encontrar este documento de algún interés:

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

Según entiendo el documento anterior, uno debe distinguir entre corrientes de frecuencia alta (1MHz y superior) y baja (1MHz e inferior) ya que estas tienen diferentes rutas de corriente de retorno. Por lo tanto, se puede usar un plano de tierra sólido / único siempre que las trazas que transportan señales de diferentes frecuencias estén agrupadas (es decir, señales de alta frecuencia con otras señales de alta frecuencia en un lado y señales de baja frecuencia junto con otras señales de baja frecuencia en el otro lado) )

ElectronicSupersonic
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Interesante y gracias. Diré que en los diseños de señal mixta que he hecho, como el artículo describe, siempre he tratado de usar planos de tierra divididos para las áreas de excavación y aud. Hasta ahora he tenido buenos resultados, pero de nuevo rara vez trabajo con ganancias muy altas, y mi trabajo analógico está en el ámbito del audio. Además, he optado por planos de tierra simples en varios diseños de audio desde mi publicación, y los paneles se han portado bien. Como todos mis puntos de tierra llevan corriente cercana a cero, supongo que no importa mucho. Sospecho que muchos de los argumentos del patrón de estrella son más críticos para los prototipos de tableros de perforación cableados a mano.
Randy