¿Cuál es la mejor manera de conectar planos de tierra juntos?
Sé que los planos de tierra están conectados entre sí en múltiples ubicaciones para mantener una GND de baja impedancia en toda la placa y proporcionar una ruta de retorno para las señales.
Pero, además de la vía puesta muy cerca de cada condensador de desacoplamiento,
He visto diseños en los que se agregan muchas vías con un patrón de cuadrícula, con un espaciado de 1/20 de la longitud de onda máxima en el tablero.
En otras placas, las vías se colocan a lo largo de las trazas (como " Colocación de vías para conectar planos de tierra ").
He visto las vías dispersas al azar.
También hay una combinación: Vias a lo largo de las líneas + dispersas al azar en los planos GND.
¿Hay diferencias notables?
Lo que me gustaría lograr es una buena integridad de señal, baja radiación y un buen desacoplamiento de la fuente de alimentación.
Respuestas:
No hay uno
Dicho esto, hay algunas cosas que he reunido con el tiempo. Lo que haces con los planos terrestres depende en gran medida de lo que intentas hacer. Podría estar tratando de proporcionar rutas de baja impedancia, o podría estar tratando de aislar un área de otra, o podría estar tratando de lidiar con EMI.
Ciertamente, hay una penalización de rendimiento por hacerlo mal, pero puede que realmente no te importe a menos que estés trabajando con circuitos de alta frecuencia o trabajo analógico de precisión. El número de bits fluctuantes de la lectura de ADC con entradas conectadas a tierra, o la pureza espectral de una señal de RF medida por un analizador de espectro le dirá cuán equivocado está con cualquier diseño. En general, es imposible obtener el 100% correcto (especificaciones de la hoja de datos) a menos que tenga un sistema tan simple como sus circuitos de prueba.
Los problemas de conexión a tierra más complicados tienen que ver con las frecuencias de RF y con las señales que son débiles o pasan por trazas que son susceptibles al acoplamiento EMI en esa frecuencia. A frecuencias de microondas, un centímetro es suficiente para hacer una antena muy efectiva y meterse con cosas. Recuerdo que un profesor mío una vez me dijo que cuando trabajaba en la industria, dejarían muchos puntos en los que se podrían acortar dos motivos, y luego un ingeniero los probaría uno por uno para ver cuál daba mejor actuacion. Estaban trabajando con circuitos de alta frecuencia (microondas).
Por lo general, hay tres tipos de elementos de 'plano de tierra' que desearía acortar.
Planos reales de tierra. Por alguna razón u otra, tienes muchas de ellas y quieres conectarlas. Esta es probablemente la ocurrencia más común del problema en la ejecución de los circuitos del molino.
Rastros de tierra / protección que se ejecutan junto con líneas de señal que pueden proporcionar una ruta de retorno, protegiendo una señal de alta frecuencia o una vinculada a / desde una fuente o sumidero de alta impedancia. Esto podría ser para evitar fugas de señal o para evitar el acoplamiento EMI.
Múltiples planos de tierra que en realidad son el mismo terreno.
Para empezar, debe comprender que no existe realmente una conexión a tierra universal, y que las diferentes conexiones en el mismo circuito no son necesariamente la misma conexión a tierra. Un ejemplo típico que encontraría es una hoja de datos para un ADC que habla sobre bases analógicas y digitales. Esto es para asegurarse de que los circuitos digitales tan ruidosos no interfieran con el ADC de alta resolución por el que ha pagado más. Diferentes tipos de circuitos tienen diferentes características cuando se trata de su interacción con el suelo. Dado que los circuitos digitales se caracterizan por un pico repentino de corriente en cada reloj, tienden a ser particularmente ruidosos en la frecuencia del reloj y, posteriormente, en armónicos y subarmónicos. Se supone que los condensadores de derivación deben lidiar con esto,
Del mismo modo, las conexiones a tierra tienden a ser ruidosas porque las cargas como motores y solenoides tienden a ser ruidosas, ya sea por efectos de conmutación o cosas como PWM. Las altas corrientes involucradas y la resistencia de tierra finita (incluso un trozo de cobre tiene algo de resistencia) significa que los transitorios que aparecen en la tierra de energía tienden a ser más altos. A veces lo suficientemente alto como para arruinar completamente las medidas de su codificador mientras controla un motor, por ejemplo.
El objetivo, entonces, es aislar estos terrenos lo mejor que pueda. Eso significa que no se superponen, en absoluto. No pones tierra analógica en la parte superior y tierra digital en la parte inferior. Todo lo que tiene que ver con lo analógico va con la tierra analógica, y todo lo que tiene que ver con lo digital va con la tierra digital en áreas separadas de la PCB. Cuando el objetivo es el aislamiento, conecta los planos en un solo punto. Más de un punto puede ser desastroso, ya que conduce a bucles de corriente y, por lo tanto, problemas EMI y antenas no deseadas. El punto donde todos los terrenos están en corto generalmente se conoce como el punto de tierra en estrella del circuito y está lo más cerca que se pueda llegar a un terreno ancho del circuito. En general, estos deben estar en cortocircuito lo más cerca y centralmente posible de un lugar donde interactúan los dos circuitos, generalmente un ADC o DAC. En diseños verdaderamente al azar, los acortaría cerca del suministro y rezaría por lo mejor. Este es el tipo 1.
En el tipo 2, tienes algún tipo de rastro de guardia. Si el rastro está en el suelo, entonces probablemente esté preocupado por EMI y no por fugas. En caso de fuga, querrá conducir el protector cerca del nivel de señal. En ambos casos, desea que la protección tenga la menor impedancia posible a la fuente. Esto significa que múltiples vías caen al plano de tierra a intervalos regulares, si la traza se va a conectar a tierra.
La tercera y algo menos exótica variedad, y realmente es una especie de afirmación obvia. Esto tiene que ver con las vías que llevan las tapas de desacoplamiento a tierra o las vías aleatorias que acortan los planos de tierra superior e inferior. Una vez que haya creado un suelo estelar y aislado las diferentes áreas, desea que cada suelo sea lo más uniforme posible. Por ejemplo, no desea que haya una diferencia de potencial medible entre dos esquinas del plano de tierra analógico. Para ello, debe proporcionar una ruta de baja impedancia al suelo de la estrella: cada pin o almohadilla que debe conectarse a tierra va al plano que le proporciona un disparo directo al punto de tierra de la estrella. Tener el avión tiene la ventaja adicional de proporcionar una ruta de retorno debajo de cada trazo de señal, lo que evita la formación de bucles de corriente que pueden actuar como antenas. En casos donde el plano de tierra debe romperse, pero necesita tener una ruta de retorno, proporcionaría una ruta alternativa a través de otra capa. Si tiene varios planos con tierra en la misma área (nota: estos deben ser la misma tierra), las vías periódicas pueden ayudar a reducir ligeramente la impedancia.
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