Inductancia de seguimiento al enrutar redes eléctricas para PCB

Tengo una situación en la que tengo terrenos analógicos y digitales. En la imagen de abajo, los trazos blancos son AGND y el DGND verde. Los terrenos se dividen donde el suministro externo hace contacto con la placa.

Estoy tratando de reducir la inductancia en estos rastros para mantener las secciones analógicas y digitales lo más limpias (en cuanto al ruido) posible. Lo que he hecho es hacer que cada rastro de tierra tenga su propio rastro separado para evitar bucles de tierra y que todo se conecte a su propia tierra STAR. ¿Es esta una forma viable de mantener el circuito limpio en cuanto al ruido?

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Aquí hay una respuesta útil sobre el uso de aviones electronics.stackexchange.com/questions/306862/…
analogsystemsrf ha proporcionado un enlace donde hay datos relevantes disponibles. No mencionó en la sección digital qué contenido está presente / frecuencia de operación y en la sección analógica cuáles son los contenidos. Este tipo de enfoque tendrá mucha inductancia en GND que degradará la sección digital. Tenga 2 planos para cada GND y conéctelos en un solo punto donde el ruido sea mínimo.
Digamos que hay señales de hasta 100 kHz en algún lugar de la placa. Tengo suministros bipolares y terrenos presentes en todo el tablero. AGND y DGND están algo separados excepto por 4 pines DGND en territorio AGND. Separar AGND y DGND en planos separados hará que las fuentes de alimentación adquieran una inductancia similar porque no tendrán planos propios. Si hiciera una placa de seis capas de secciones analógicas digitales (internas: VEE, VDD, GND) divididas, es decir (AGND y DGND en un plano), todavía tendría que enrutar un par de conexiones como en la foto original, ya que algunos pines están en otra área

Respuestas (2)

La resistencia entre dos puntos en una lámina de cobre de 1 oz es de 0,5 miliohmios por cuadrado, por lo que la resistencia es de 0,5 mR sin importar qué tan separados estén los dos puntos (pero un poco más alto cerca del borde, de ahí la gota de 5 mm donde viene su punto de estrella juntos se ve como una red o resistencias (ver más abajo), que parten de estos son sus pistas delgadas, cada una con una relación de aspecto de 100: 1, por lo que R = 50mR. Las pistas tienen 1 "de largo, por lo que aproximadamente 10nH de largo, por lo que un total de 20nH entre dos nodos y 10nH de inductancia mutua.

Si, en cambio, se conecta a un plano de tierra, obtendrá la misma malla de resistencias en el blob, pero el blob llena todo el tablero. Y todas las resistencias e inductores perdidos desaparecen.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Ver también https://www.edn.com/total-inductance-in-the-return-path-rule-of-thumb-7/

y https://www.edn.com/sheet-resistance-of-copper-foil-rule-of-thumb-13/

y https://www.edn.com/resistance-of-a-copper-trace-rule-of-thumb-14/

Tenga en cuenta que tanto la resistencia como la inductancia de un rectángulo 2D (o bloque rectangular 3d) se escalan de acuerdo con la relación entre la longitud y el ancho (para un grosor dado), la longitud real es irrelevante, por lo que la resistencia y la inductancia más bajas se producen con una hoja cuadrada, es decir toda la capa en la PCB.

Para evitar que la placa de circuito impreso se pandee al pasar por los hornos/baños de soldadura, haga la capa sólida como una malla (para que los pequeños trozos de cobre tengan espacio para expandirse).

Ese es un enfoque extraño allí, la puesta a tierra de estrellas es útil para algunos rastros sensibles en circuitos analógicos de precisión, pero su enfoque tiene mucha inductancia (propia y mutua) en las piernas largas que no es útil.

El mejor enfoque es utilizar la capa inferior como una lámina de cobre casi sólida (en realidad, un patrón de rayas cruzadas es mejor para fines de fabricación). Si el plano de tierra inferior se divide, por ejemplo, para que pueda ejecutar trazas de energía a través de él, entonces coloque puentes a través de él en la capa superior.

Debe tener cuidado donde coloca el nodo "Agnd", este es esencialmente el centro de su estrella, si mantiene todos los dispositivos de alta potencia a la izquierda de este punto, y todos los dispositivos analógicos sensibles a la derecha, entonces por lo general no tendrás ningún problema.

Aquí hay un diseño típico del plano de tierra alrededor de una CPU ATMEGA, Agnd está en un círculo verde, las entradas analógicas están en el lado derecho de este chip, las salidas pwm van desde la parte inferior del chip, hasta los MOSFET en el extremo izquierdo (fuera de pantalla) ). Tenga en cuenta la malla de tierra casi completa y el acoplamiento de baja inductancia debajo del chip.

seguimiento de la CPU

Aquí hay un ejemplo de un puente de capa superior para reducir la inductancia, hay un multiplexor analógico en el borde derecho de la imagen.

puente de tierra

Sin embargo, la puesta a tierra estelar elimina la resistencia compartida entre los nodos. Si cada rastro en las conexiones de la "tela de araña" se desacopla con límites de 0.1uF en la terminación, ¿son tan malos los rastros largos? Además, digamos que no eran redes de tierra y eran redes eléctricas como AVDD y DVDD. ¿Importaría la inductancia?
@JoshuaGirgis cierto, la puesta a tierra en estrella elimina las caídas de voltaje de CC compartidas, sin embargo, colocar pistas de alta corriente en un borde de su PCB y pistas analógicas sensibles en el otro borde reduce el intercambio y reduce los EMF térmicos, y permite usar una tierra de malla para reducir la inductancia . Las caídas de voltaje en las pistas de alimentación con cobre de 1 oz que transportan varios amperios de corriente pueden ser lo suficientemente grandes como para usarlas como derivaciones de corriente de baja precisión. t que más, tengo un sensor Rdson más elegante)
@JoshuaGirgis con respecto a las tapas de desacoplamiento de 100n, no creo que ninguno de sus rastros de energía esté lo suficientemente cerca de tierra para obtener tapas de acoplamiento de 100n. En cuanto a los análogos de inductancia, imagine que está construyendo un banco de trabajo de pino a partir de tablas de pino de 1 "de longitud corta en un piso de concreto, un extremo del banco apenas se mueve cuando clavas un clavo en el otro extremo. Compare con hacer un mueble hecho de caña, intente martillarlo en cualquier lugar y todo se derrumbará. Es cierto que levantar un extremo del banco levanta todo lo que hay en ese extremo, pero la estructura de tu bastón simplemente se agita con el viento.
Parece que los rastros largos también están causando algunos problemas con el desacoplamiento. Digamos que nada tira más de 60mA. De hecho, mucho menos y 60 mA es un valor atípico. El PCB es para un sensor, por lo que cada traza analógica es muy sensible. Un plano de tierra dividido todavía tendrá caídas de voltaje de CC compartidas y no puedo imaginar que todas las señales funcionen bien juntas si todos los rastros 'blancos' se vierten en malla de cobre. Para complicar las cosas digamos que hay alimentaciones bipolares, redes AVEE, AVDD, DVEE, DVDD, AGND, DGND. ¿Optar por un tablero de 6 capas sería una mejor opción? (ignorando los saltos de precios)
El uso de una placa de circuito impreso de seis capas es como construir una autopista de seis carriles desde la entrada de su casa hasta su garaje: solo conduce un automóvil a la vez. No existe el "potencial absoluto", solo la diferencia de potencial, por lo que debe elegir un punto de referencia y medir desde allí, Agnd suele ser este punto de referencia. Como todos los potenciales se miden con referencia a este nodo, no importa lo que estén haciendo los otros rieles de alimentación. He estado diseñando componentes electrónicos analógicos sensibles durante 4 décadas y aún no he usado una PCB de 4 capas, puede llegar al límite de ruido de Johnson y los límites térmicos de rendimiento con PCB de dos capas.
MIS colegas y yo hemos trabajado en sistemas que detectan señales a niveles de 1 parte en mil millones de fondo. La creación de prototipos de tableros multicapa puede ser un verdadero dolor de cabeza, ya que no se puede acceder a las capas internas. Si siente desesperadamente la necesidad de usar una PCB de 4 capas, haga que las dos capas internas sean una hoja sólida. .Agnd para la capa 2 y Dgnd en la capa 3 . Coloque casi todas sus redes eléctricas en la capa inferior y todas las redes analógicas en la capa superior. Dicho esto, seguirá obteniendo mejores resultados con una placa de dos capas con una partición adecuada de las partes ruidosas y sensibles, que con diseños aleatorios en placas multicapa.
Creo que ahora entiendo. Por desgracia, mi diseño tiene más de 300 componentes, por lo que es casi imposible enrutar con un tablero de 2-4 capas. Probablemente dividiré el plano de tierra en DGND y AGND y mantendré las otras capas internas para dividir los planos de potencia de VEE y VDD. Sin embargo, hay situaciones en las que en la placa de 6 capas tengo pines DGND en medio del territorio AGND que necesitan un enrutamiento especial desde un vertido de cobre hasta el medio de otro para llegar a ese pin. He eliminado la mayoría de las puestas a tierra estelares de esta manera, salvo quizás doce de estos valores atípicos. imgur.com/a/bqqvfho
Ignore la última imagen, que era un DVEE solitario en territorio AVEE en el avión VEE. imgur.com/a/Bv7vVTZ DGND es el vertido de cobre a la izquierda de la imagen y AGND es el vertido de cobre a la derecha. Los rastros azules son una capa interna adicional que se usa para ayudar a enrutar los pines. Los rastros blancos son los pines DGND atípicos en el territorio AGND. Solo hay 4 de ellos. En comparación con aproximadamente 100 pines AGND que ya no están conectados a tierra. Como puede ver, tuve que hacer esto un par de veces para Digital Power and Ground. No creo que haya otra forma de hacer que todas las redes converjan con todas las redes eléctricas.
Estoy pensando en hacer un plano de tierra dividido porque realmente solo tengo un dispositivo de señal mixta. Gracias por toda su ayuda hasta ahora, por cierto, @BobT.
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