Colocación de vías para conectar planos de tierra

Me he estado preguntando mucho sobre las prácticas de conexión a tierra en los diseños de PCB. Mi primera pregunta al respecto tiene que ver con las vías. Me di cuenta de que en una PCB simple de 2 capas con planos de tierra en ambos lados, normalmente habrá algunas o varias vías espaciadas para conectarlas con una impedancia mínima entre los dos vertidos de cobre.

Sin embargo, en una placa de RF, la ubicación de la vía parece mucho más deliberada y me pregunto sobre la teoría detrás de esto. Las vías que conectan los planos de tierra a menudo bordean la traza de RF. Vea este ejemplo de guía de ondas coplanar diferencial:ingrese la descripción de la imagen aquí

También tengo una segunda pregunta sobre la conexión a tierra de PCB. ¿Cuándo es apropiado "aislar" los planos de tierra entre sí? ¿Y cómo ayuda tener los planos de tierra en una capa (digamos arriba) aislados entre sí cuando ambos planos de tierra están conectados al mismo plano de tierra en la parte inferior a través de vías? Cuando tenemos estos planos de tierra aislados, ¿la ubicación de la vía difiere de cualquiera de los casos anteriores?

Nota: soy consciente del posible duplicado aquí , pero no estoy satisfecho con las respuestas y creo que mi pregunta requiere más detalles.

Gracias por la información.

¿A qué frecuencia estás trabajando?
Bueno, específicamente estoy trabajando alrededor de 700 MHz - 1 GHz, pero estoy interesado en aprender sobre la teoría en general para todas las frecuencias.

Respuestas (3)

El diseño que mostró se parece a lo que se llama guía de ondas coplanar con respaldo de cobre (CBCPW). Eso significa que el retorno a tierra para la guía de ondas no está solo en los terrenos coplanares (el suelo se llena en la misma capa que las huellas de la señal), sino también en la capa plana inmediatamente "debajo" de la capa de la señal. Esta estructura es bastante esotérica, en el sentido de que solo la he visto utilizada en sistemas digitales cuando las velocidades de datos superan los 20 Gb/s.

Encontré lo que parece una discusión razonable sobre las diferencias entre CBCPW y microstrip en un artículo de Microwave Journal escrito por ingenieros de Rogers Corp.

Este artículo muestra que el CBCPW tiene una pérdida menor que la microcinta en frecuencias donde la pérdida de radiación se vuelve importante en la microcinta, aproximadamente desde 25 GHz en adelante, lo que explica por qué CBCPW no se usa mucho en frecuencias más bajas.

Respondiendo a su pregunta, el artículo señala algunos requisitos especiales para las vías de puesta a tierra en estructuras CBCPW:

Para una conexión a tierra adecuada, los circuitos CBCPW emplean vías para conectar los planos de tierra coplanares de la capa superior y el plano de tierra de la capa inferior. La ubicación de estas vías puede ser fundamental para lograr las características deseadas de impedancia y pérdida, así como para suprimir los modos de onda parásitas.

Básicamente, esto significa que sin vías de unión frecuentes entre la tierra coplanar y la tierra de respaldo, la energía podría transferirse a modos de propagación no deseados, lo que provocaría una pérdida de inserción excesiva o una fuerte dispersión en las características de la línea de transmisión.

Huh, nunca he visto un CPWG que no tenga un plano de tierra debajo, pero solo he visto dos CPWG. ¿Las áreas de RF en las PCB (es decir, donde encontraría la traza de RF y la guía de ondas asociada) generalmente no necesitan un plano de tierra?
Sí, la línea de transmisión necesita un plano de tierra. Pero en un CPW clásico, el plano de tierra es coplanar con (en el mismo plano que) el conductor de la señal.
Pero, incluso si tiene, digamos, una línea de microcinta con relleno de suelo cercano (no tan cerca como para convertir la estructura en un CPW), es probable que desee que el relleno de suelo esté bien unido al suelo. De lo contrario, podría ver una fracción de la potencia transferida a modos similares a CPW, y si la tierra coplanar y la tierra de capa 2 no están bien conectadas, probablemente tendría alguna irregularidad en los modos característicos, lo que daría lugar a una impedancia característica irregular. , reflejos múltiples (si son pequeños), etc.
El enlace al artículo está muerto
@TimVrakas, gracias, actualizado. Desafortunadamente, ahora necesita crear una cuenta en microondasjournal.com para ver el artículo.
Me doy cuenta de que ha pasado un tiempo desde que se dio esta respuesta, sin embargo, estoy confundido acerca de la contribución de impedancia de las vías mencionadas en la cita. Todas las demás respuestas aquí parecen centrarse en el blindaje de RF y la reducción de los efectos similares a los de una antena, no en la coincidencia de impedancia. He ejecutado dos simulaciones en openems (una con las vías y otra sin ellas) y no noto una diferencia apreciable en la impedancia). ¿Alguna idea @ThePhoton?
@MattHusz, como dice mi último párrafo, la costura ayuda a evitar modos emocionantes no deseados. Es probable que esos modos no deseados tengan una impedancia característica muy diferente a la del modo preferido (fundamental). Es posible que pueda observar estos modos en su simulación al introducir deliberadamente algún defecto o asimetría en su modelo.

Parte 1: una ranura larga en un plano de tierra del lado superior puede actuar como una antena, tanto en términos de radiación como de captación de corrientes que intentan fluir perpendicularmente a la ranura. Puede pensar en una ranura como una especie de "cable negativo". Más detalles se pueden encontrar aquí .

Las corrientes de alta frecuencia que intentan pasar de una parte del plano de tierra del lado superior a otra (fluyendo perpendicularmente a la traza de RF) se ven obligadas a fluir alrededor de los bordes de los espacios entre las partes. Ahora considere lo que sucede si la longitud de la ranura es igual a la mitad de la longitud de onda de la corriente. El voltaje en la ranura se fuerza a cero en los extremos de la ranura (donde se conectan las piezas), pero esto significa que la diferencia de voltaje en la ranura será mayor en el centro de la ranura. De manera similar, la corriente (a través de la ranura) se fuerza a cero en el centro de la ranura, pero es máxima en los extremos de la ranura. Este es el "dual" eléctrico de una antena de alambre de media onda ordinaria, en la que la corriente es máxima en el centro y el voltaje es máximo en los extremos. La ranura y el cable son igualmente efectivos como antenas,

Las múltiples vías que conectan ambos lados de la ranura con el plano de tierra sólido en el otro lado "cortan" esta antena de ranura, eliminando ese problema.

Parte 2: Planos de tierra independientes para ciertos subsistemas "ruidosos" (o, para el caso, subsistemas que necesitan ser particularmente "silenciosos") en un tablero, que están conectados al plano de tierra a nivel del sistema en solo un punto, sirven para confinar las corrientes de retorno de las señales dentro de ese subsistema solo a esa área de la placa, evitando que afecten (o sean afectados por) otros subsistemas de la placa.

Por ejemplo, suponga que tiene un sistema de adquisición de datos basado en un microprocesador que tiene un ADC de alta resolución y algunos circuitos de acondicionamiento de señales analógicas antes de eso. Puede crear un plano de tierra para el circuito analógico y otro para el microprocesador y su cristal y otros periféricos digitales (por ejemplo, un chip de memoria flash grande) y conectar cada uno de estos a un plano de tierra del sistema (o entre sí) en solo un punto Esto mantiene el ruido de alta frecuencia del cristal y las otras señales de E/S digitales de conmutación rápida del microprocesador fuera del plano de tierra para los circuitos analógicos sensibles. Verá esto si observa los diseños de las placas de evaluación que los fabricantes producen para sus chips ADC y DAC de alta resolución.

Estoy un poco confundido en la parte 1. ¿Por "una ranura larga" te refieres a la traza de RF o al espacio negativo entre la traza de RF y el plano de tierra? Si te refieres al espacio negativo, ¿cómo puede irradiar PCB desnudo (como FR4 o algo así)?
Ignore la traza de RF en sí y considere solo las diversas piezas del plano de tierra del lado superior. Vea el enlace y el párrafo adicional que agregué.
¡Gracias! Y para la parte 2: entonces tendría todo en el circuito MCU ruidoso conectado a un plano de tierra en la parte superior de la placa, y luego ese plano de tierra solo está conectado al plano de tierra inferior por una sola vía.
Esa sería una forma de hacerlo, pero no siempre es posible tener un plano de tierra en el lado superior (componente) que sea lo suficientemente sólido para ser útil. También podría ser útil crear una "isla" en el plano de tierra inferior y conectar esta isla con el resto del plano de tierra del lado inferior en un solo punto.
Eso es cierto. ¿Y por "en un solo punto" te refieres a un solo rastro que va desde la isla hasta el plano principal?
Sí, exactamente correcto.

En CPW o Coplanar Wavequide, la energía de RF se encuentra entre los conductores en la parte superior del sustrato. Esto es común en semiconductores donde es difícil acceder a un plano de tierra y las distancias son muy cortas. Para los PCB, debe haber una conexión a tierra inferior y esto se conoce como guía de onda coplanar conectada a tierra (CPWG) o guía de onda coplanar con respaldo de conductor (CBCPWG). El espaciado de vía es para crear una pared virtual a través de la cual la energía de RF no puede filtrarse. Cuanto más alta es la frecuencia, más corta es la longitud de onda y más juntas tienen que estar las vías. Aquí hay un enlace a un documento que muestra esto a través de pruebas con diferentes tableros en las páginas 14 - 21.

http://mpd.southwestmicrowave.com/showImage.php?image=439&name=Optimizing%20Test%20Boards%20for%2050%20GHz%20End%20Launch%20Connectors

Colocación de vías para conectar planos de tierra
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