¿Cuál es la mejor topología de tierra para esta placa de señales mixtas?

Dejemos una cosa absolutamente clara: los planos de tierra divididos/divididos nunca son necesarios , pero pueden ser una técnica útil para mitigar el error humano. Pero siempre puede lograr un rendimiento igual o ligeramente mejor utilizando un plano de tierra único, sin particiones o ranurado y un enrutamiento cuidadoso de su placa.

Sin embargo, la mayoría de los enrutamientos de señales mixtas también son bastante implacables: un solo error en la forma de una traza mal colocada (y no necesariamente una mala colocación obvia, como una traza que cruza una división de tierra) es todo lo que se necesita para arruinar por completo el rendimiento analógico de un tablero

Entonces, en realidad, los planos de tierra divididos son más una póliza de seguro que cualquier otra cosa. Pueden evitar que algunos de los errores más sutiles que un diseñador pueda cometer en su diseño tengan un impacto mínimo en el tablero. Sin embargo, la desventaja de tener planos de tierra divididos o particionados es que su placa ahora es una pequeña antena dipolo agradable (y si tiene más de 2 planos, la placa es antenas dipolo múltiples), que es algo que debe ser considerado. Obviamente, una buena cantidad de tableros de señales mixtas en existencia utilizan topologías de tierra dividida, por lo que en muchos, si no en la mayoría de los casos, el ruido captado debido a este dipolo parásito no es suficiente para ser realmente una consideración de diseño. Pero hará que la placa acople más basura radiada exógena en su piso de ruido,

Muy bien, comencemos la inmersión profunda en esto.

1. Recuerda por qué los circuitos se llaman circuitos.

   Con las corrientes eléctricas, todo es un bucle. Siempre es circular. un circuito Nuestras metodologías de diseño y marcos abstractos y simplificaciones de los procesos físicos que realmente ocurren tienden mucho a la idea de que la tierra es una fuente potencial prístina de 0V a la que todas las cosas se refieren para siempre y siempre, y ninguna corriente realmente fluye a través de la tierra , es simplemente donde nuestro poder y las corrientes de señal regresan feliz y tranquilamente.

   Por supuesto, sabemos mejor. Sabemos que cada punto diferente de un plano de tierra, cada conexión diferente a tierra, tan pronto como se permite que fluya una corriente, esa corriente también fluye a través de tierra. Y esa corriente provoca una caída de voltaje, y todos esos puntos ya no están realmente en ese único y glorioso ideal de 0V que pretendemos que está allí. Todo está en potenciales ligeramente diferentes, y siempre cambiando a medida que cambian nuestras corrientes de retorno. Qué partes de la tierra experimentan cuánto cambio en potencial y debido a qué depende completamente del camino de esas corrientes.

   Ciertamente ha comenzado a pensar en las corrientes de retorno, lo cual es genial. Y ahí radica el truco de todo esto: si comprende cómo se comportan las corrientes de retorno a tierra, entonces puede controlar ese comportamiento y, por lo tanto, controlar qué afectará qué en su tablero, completamente por cómo enruta ese tablero.

2. Las corrientes de tierra no son una especie de niebla cabalística de incertidumbre.

   De hecho, las corrientes de las que debe preocuparse son algunas de las que mejor se comportan. Seamos claros, también, qué corrientes nos preocupan . A menos que algo esté terriblemente mal, generalmente nos preocupa que las corrientes de retorno de la señal digital causen problemas en nuestra sensible sección analógica. La sección analógica no solo está preocupada por discriminar entre 2 niveles de voltaje o corriente extremadamente amplios como con la digital, sino que está tratando de medir algo. Por lo general, ese algo finalmente tiene la forma de voltaje, lo que significa que nuestra medición es realmente tan buena como la tierra a la que la estamos midiendo en referencia.

   Las señales digitales pueden parecer temibles para alguien que las mira desde el punto de vista del diseño analógico. Estas señales no son sinusoidales en absoluto, no son suaves ni uniformes. Son nítidos, con tiempos de subida rápidos, a menudo en nanosegundos, si no más rápidos. Tiene un ruido coherente de los relojes, y cada pequeña transición de alto a bajo, de un 1 a un cero, es una oscilación brusca que golpea la corriente como un martillo, haciéndola sonar, causando un ruido de amplio espectro cuya distribución de potencia frente a frecuencia está determinada por el tiempo de subida de esa forma de onda digital. Honestamente, no sería atrevido llamar a todo eso la peor, o casi peor, pesadilla de un diseñador analógico.

   Pero también hay una tremenda ventaja que nos otorga la mencionada naturaleza de las señales digitales. Son rápidos. No se comportan como DC. Son demasiado rápidos para difundirse muy lejos de la corriente en la que estamos pensando, la corriente de señal, la corriente que fluye a través de una traza bien definida.

   Aquí hay un gráfico de la distribución actual (generalmente) para señales digitales. (Crédito: Henry Ott - Fuente PDF )

   El eje inferior es una relación de distancias.$h$es la distancia, verticalmente (como en las alturas de apilamiento de su PCB) entre la traza de la señal y su plano de tierra.$x$es la distancia desde el centro de la traza de la señal hacia el exterior. Por esta razón, es preferible tener un plano de tierra inmediatamente adyacente a su plano de señal superior si es posible. Pero incluso siendo conservadores y asumiendo una brecha sustancial, digamos, 1 mm, eso significa que más del 87% de toda la corriente de retorno para una señal digital está dentro de los 5 mm a cada lado del centro de la señal. Debajo, por supuesto. Si tiene una placa multicapa moderna, puede haber del orden de 100 µm de preimpregnado entre las trazas superiores y un plano de tierra interior. Esto localizará aún más las corrientes de retorno, ya que todo lo que importa es la relación. El 97 % de la corriente de retorno a tierra estará dentro de 20 veces el espacio entre la traza de la señal y su plano de retorno a tierra. Para un apilamiento adecuado con 100 µm de espacio, esa es una banda de 4 mm que sigue directamente el camino de ese rastro.

Es importante comprender los números, pero lo importante aquí es que las corrientes de retorno a tierra siguen las huellas que las causan.Sí, se extienden un poco, pero puedes controlar hasta qué punto, y si sabes cuánto se extienden, bueno, esa es toda la información que necesitas. Dirija sus rastros y manténgalos a una distancia segura suficiente de cualquier cosa en su tablero por la que no quiera que fluya la corriente de retorno (por lo tanto, impacte el suelo localmente), y puede lograr exactamente lo mismo que puede con split jardines. Todo lo que hace la tierra dividida es garantizar que el grado de corriente limitado para esas señales rápidas PUEDE extenderse, si el diseñador comete un error y coloca un rastro demasiado cerca de lo incorrecto, una división colocará una barrera galvánica dura que evitará ese retorno. la corriente alcance cualquier rastro sensible o lo que tenga cerca.

Pero también puede tener un solo plano de tierra con trazas bien enrutadas y espaciadas donde se necesitan y lograr lo mismo.

En la mayoría de los casos, diría que los beneficios de usar un plano dividido probablemente superen las desventajas menores, ya que todos cometemos errores y, como dije, las aplicaciones de señal mixta no son muy indulgentes. Pero en realidad nunca necesitas dividir tus terrenos.

Algo que aprendí hace años (¿décadas?) de un par de grandes FAE de Unitrode: "la regla de la motosierra". Básicamente, tiene los principales cortes en el suelo correctos, pero debe seguir la regla de que debe poder cortar la fibra de vidrio con una motosierra directamente a través de los cortes en el suelo que ha realizado. Es decir, no ponga rastros ni derrames de cobre sobre esos cortes. Energía o señal, todo debe pasar por cobre a tierra. Es probable que necesite ampliar el área de tierra del ADC para soportar las señales/potencia que también necesita unir dos zonas, pero al final tiene su estrella en el ADC, que es donde debe estar. Contestaré el corte inferior del ADC hacia abajo y hacia la izquierda, ya que creo que se verá obligado a eliminar ese corte para acomodar la conexión digital al ADC (para cumplir con la regla de la motosierra). ... nota al margen,