Cómo implementar un plano de tierra analógico

8

He visto esta imagen en varias hojas de datos de Atmel. Este es de la hoja de datos ATTiny48 / 88 .

ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Alguien puede explicar con algún detalle cómo implementar esto correctamente en una placa de 2 capas? Tengo que imaginar que el plano de tierra analógico tiene que estar conectado al plano de tierra digital de alguna manera en la PCB, ¿o eso ocurre internamente en el AVR? ¿La línea punteada debe tomarse literalmente en términos de la forma y la extensión del plano de tierra analógica (no hay dimensiones en el diagrama, así que lo dudo)?

vicatcu
fuente

Respuestas:

4

Primero, probablemente no necesites terrenos aislados. Se utiliza cuando la corriente de retorno produce un desplazamiento problemático (altas corrientes), buses de datos paralelos amplios, tiempos rápidos de subida / bajada (diagramas de ojo de cierre) y vertidos de cobre [como] de antena. Use buenas prácticas de desacoplamiento y no se preocupe por eso hasta que se rompa.

De lo contrario, lo siguiente que debe intentar es una conexión directa, sin impedancias / filtros adicionales. Conecte AGND y GND en un solo punto con trazas relativamente gruesas (es decir: baja inductancia), en la fuente de alimentación. Esto a veces se llama tierra de estrella cuando se conectan varias tierras aisladas. Asegura que las corrientes de retorno de algunos componentes no contribuyan a un voltaje de compensación para otros componentes. El ruido proviene no solo del sumidero, sino también de la fuente: si se molesta en aislar a tierra, aísle, filtre y conecte también los respectivos rieles de voltaje. Esto es tan simple como el desacoplamiento (a la tierra correcta; recuerde que las tapas transmiten ruido) con tapas a tierra y, si es necesario, perlas de ferrita o inductores entre rieles equipotenciales.

Estudie la geometría de la corriente de retorno antes de modificar aún más el sistema de tierra.

tyblu
fuente
Este jives con mis nociones preconcebidas ... Voy a darle un poco de tiempo para ser comentado y votado, pero me siento inclinado a aceptar esta respuesta
vicatcu
Esta es solo la solución más básica, @vicatcu. Otros pueden proporcionar excelentes respuestas para diseños más exigentes.
tyblu
Sí, muy buen punto! ¡No se entusiasme con múltiples motivos a menos que descubra que tiene que hacerlo! (Otro ejemplo de dónde los aviones separados son útiles es si no tiene más remedio que enviar su tierra digital a todo el lugar en un recinto con EMI pesado, es decir, conexiones de placa a placa.)
Nathan Wiebe
@tyblu alguna idea de cómo representar AGND conectado a GND en un esquema Eagle para poder enrutarlos usando una topología en estrella, ¿o debería dejar de lado otra pregunta?
vicatcu
Recuerdo haber tenido que 'criticar' esto, hace unos años. Sin embargo, puede ser posible ahora. De hecho, creo que he visto esta pregunta ... electronics.stackexchange.com/q/23495/2118
tyblu
2

He usado esta técnica antes (en 4 capas, no en 2, pero aún se mantiene), y encontré varias ventajas y desventajas de hacerlo. De lo que están hablando específicamente es de una isla de plano de tierra que no es GND, sino AGND, que está vinculada a GND en un solo punto, posiblemente a través de una pequeña impedancia. No estoy seguro si el ATMEL tiene un pin AGND separado, pero nuestro dsPIC sí. En este caso no hay conexión sino un inductor entre VCC y AVCC, y la derivación nunca debe cruzar de VCC a AGND, o AVCC a GND. Todas las señales analógicas están referenciadas a AGND (es decir, divisores de voltaje, tapas antisolapamiento, etc.). El objetivo es evitar que todos los circuitos digitales que crean ruido ensucian sus rieles analógicos.

En cuanto a la implementación de su técnica, solo están diciendo que la extensión de esta isla AGND abarcaría aproximadamente esta esquina del micro, así como todas las derivaciones entre AVCC y AGND y sus circuitos de medición analógicos. No tiene que extenderse completamente a los puertos de entrada para mediciones de voltaje, etc., sino al menos a la resistencia del lado bajo de su divisor de voltaje y tapa antialiasing, así como a cualquier amplificador de entrada analógica y sus fuentes de alimentación. Por AVCC, me refiero al VCC después de ser filtrado por el inductor.

Experimentamos con diferentes impedancias que conectaban GND y AGND, y descubrimos que una resistencia de 10 ohmios funcionaba bien para aislar el ruido en la tierra digital. Si la impedancia es demasiado alta, el micro no estará contento porque espera el mismo potencial de CC en los dos motivos. En nuestro caso, teníamos un LDO de bajo ruido separado que alimentaba el AVDD, y un convertidor buck ruidoso y de alta potencia que alimentaba los muchos dispositivos en el VDD digital. El aislamiento que lograría (para evitar que las cosas digitales ruidosas contaminen sus rieles analógicos) es menor con solo un inductor y una isla de tierra separada como sugiere esta hoja de datos, pero es mucho más simple de implementar.

Una prueba simple para verificar si está mejorando su ruido de riel analógico es usar su ADC para convertir un valor de CC y trazar las mediciones sin procesar en un histograma o hacer un stdev en Excel. En un mundo perfecto / sin ruido, no tendría variación en esta medición, pero en el mundo real tiene una cierta cantidad de variación proporcional a sus niveles de ruido.

Nathan Wiebe
fuente
¿A qué frecuencia estaba funcionando el dólar? ¿Qué tipo de resistencia se utilizó? (0402, bobinado, etc.)
tyblu
1
En nuestro caso, los dólares estaban a 3MHz, 180kHz y 900 kHz, lo que estaba dentro de nuestra respuesta analógica requerida de DC - 1MHz. Utilizamos un 1206 para el manejo actual. Como un dispositivo de conversión de energía no aislado, teníamos transitorios locos (6kV) que teníamos que sobrevivir debido a UL / CSA / CE, y la mayoría de ellos parecían acoplarse y golpear el análogo más duro que el digital, por lo que solo las ferritas nos dejaron vulnerable a grandes impulsos GND-AGND. La fusión de esa resistencia / traza / inductor sería catastrófica, por lo que optamos por una gran 1206 R con una impedancia plana para mayor robustez.
Nathan Wiebe
2

No estoy de acuerdo con los 10 de NathanΩresistor. Tierra es sagrada, y debe ser tierra, es decir, tan pocas diferencias de voltaje como sea posible. Si su circuito analógico se disipa 3 mA, su tierra analógica ya tendrá un desplazamiento de 30 mV.

Estoy de acuerdo con una sola conexión entre los dos suelos, pero luego a través de un cordón de ferrita.

stevenvh
fuente
Tenga en cuenta que NO sugerí los 10 ohmios como punto de partida. No sugeriría que una talla única se ajuste a todas las ideologías sobre la conexión a tierra, porque SIEMPRE hay una excepción. Cada problema es único. Sí sé que la prueba está en el pudín, y así es como logramos los mejores resultados (SNR / ENOBs más altos). Y no hay absolutamente nada de malo con 30mV de compensación de CC entre AGND y GND.
Nathan Wiebe
Lo que descartó las perlas de ferrita fue que la mayoría tenía muy poca impedancia en el extremo inferior de nuestro ROI analógico (DC - 1MHz), y las perlas de baja frecuencia nos dejaron completamente abiertos a transitorios de 50us / 1.2us. Nuestro dispositivo era un dispositivo de conversión de energía no aislado y, como tal, tenía que sobrevivir a las pruebas de inmunidad más duras realizadas en el repertorio de UL / CSA (sobretensiones de 6kV, que llegaron en canales referenciados a analógico y 2kV para CE). 30 mV no es nada comparado con lo que la AGND vería brevemente si estuviera en una cuenta de ferrita.
Nathan Wiebe