La mayoría de las fuentes en Internet analizan el enrutamiento de señales en un plano de potencia dividida y cómo hacerlo correctamente. La solución principal aquí es crear una ruta de corriente de retorno corta. Me pregunto si las señales de enrutamiento a través de un plano de fuente de alimentación dividida (no un plano de tierra) tendrán algún efecto notable en la integridad de la señal y si debo tomar medidas.
Mi situación:
PCB de 4 capas:
Estoy enrutando algunas señales de reloj en la capa inferior a partir de la sección digital a la sección analógica. Las señales cruzarán el plano de potencia dividido entre la sección digital y la analógica (el espacio es de 0,5 mm de ancho). Proporcionaré una ruta de retorno de corriente sólida en el plano de tierra (puente entre digital y analógico) para que las corrientes de retorno no sean un problema.
La señal del reloj está justo por encima de los 12 MHz, las trazas tienen un ancho de 0,2 mm y una longitud máxima de 13,4 cm. Las pistas se terminan con una resistencia en serie.
La respuesta rápida:
Cualquier señal que cruce una división en el plano de potencia O de tierra es mala. Cuanto mayor sea la velocidad de conmutación (y más rápidos sean los bordes de la señal), peores serán los efectos.
La respuesta larga:
Cuando dice: "Proporcionaré una ruta de retorno de corriente sólida en el plano de tierra (puente entre digital y analógico) para que las corrientes de retorno no sean un problema", o no comprende los problemas o no entendí tu declaración La razón por la que digo esto es que no puede tener una "ruta de retorno de corriente sólida" y aún así tener un plano dividido. Tiene que haber algo de falta de solidez allí.
Las corrientes de retorno fluirán en el plano de alimentación O de tierra más cercano a la señal. Entonces, en su caso, si su señal está en la capa superior, las corrientes de retorno estarán en su capa de tierra. Pero si su señal está en la capa inferior, las corrientes de retorno estarán en la capa de potencia. Para la mayoría de las señales de velocidad media a alta, la corriente de retorno seguirá la traza de la señal y no tomará el camino más corto. Dicho de otro modo, las corrientes de retorno intentarán minimizar el "área del bucle".
Si su señal cambia de abajo hacia arriba (o viceversa), las corrientes de retorno también cambiarán y fluirán a través de una tapa de desacoplamiento. Esta es la razón por la que es importante rociar tapas de desacoplamiento por toda la placa de circuito impreso, incluso cuando está demasiado lejos de un chip para hacer una diferencia en la potencia.
Minimizar el área del bucle es fundamental para la integridad de la señal, minimizar EMI y reducir los efectos de ESD.
Si su señal atraviesa una división en el plano de alimentación/tierra, las corrientes de retorno se ven obligadas a tomar un desvío. ¡En algunos casos, este desvío puede aumentar el área del bucle en 2x o incluso 10x! La forma más simple y mejor de evitar esto es no pasar una señal a través de una división.
Algunas placas tienen planos analógicos y digitales mixtos, o en algunos sistemas tienen múltiples rieles de alimentación. Aquí hay una lista de cosas que podrían ayudar en estas circunstancias:
Para cosas como relojes o líneas de datos activas, realmente no desea cruzar una división. Un poco de enrutamiento creativo de PCB es la mejor solución, aunque a veces solo tiene que tener un plano analógico/digital combinado en lugar de dividirlo.
Para señales de baja velocidad, o señales que son en su mayoría CC, puede cruzar una división, pero tenga cuidado y sea selectivo al respecto. Si puede, reduzca la velocidad de borde usando una resistencia y tal vez una tapa. Por lo general, la resistencia estaría físicamente uniendo la división.
Se pueden usar cosas como resistencias de 0 ohmios o tapas para proporcionar una ruta de retorno de señal entre dos planos. Por ejemplo, si una señal salta la división, agregar un límite entre los dos planos cerca de la señal puede ayudar. Pero cuidado, si esto no se hace bien, podría anular cualquier efecto positivo de tener una división en primer lugar (es decir, evitar que el ruido digital vaya al plano analógico). Lo bueno de usar tapas o resistencias de 0 ohmios para esto es que te permite jugar con el diseño después de que se haya hecho la PCB. Siempre puede rellenar o desmontar piezas para ver qué sucede.
Si bien muchos diseños de PCB implicarán algún tipo de compromiso, trate de no comprometerse a menos que sea absolutamente necesario. Al hacerlo, tendrá menos dolores de cabeza y perderá menos cabello.
También debo señalar que pasé por alto por completo el tema de los cambios de impedancia debido a la división, y lo que eso significaría. Si bien es importante, no es tan importante como minimizar el área del bucle y esas cosas. Y comprender el área del bucle es mucho más fácil que comprender cómo los cambios de impedancia afectarán la integridad de la señal.
Tengo que echar a un lado la sabiduría convencional. Al menos para las placas de RF que he hecho, he descubierto que el rendimiento mejora al no tener terrenos divididos para analógico y digital. En cambio, usar un plano de tierra sólido y hacer vertidos de tierra para mantener una ruta de baja inductancia/baja resistencia a un solo nodo de tierra unificado ha funcionado mejor para los tipos de productos que he hecho, principalmente de tamaño pequeño (portátiles) y RF pesados (receptores). y transmisores en el rango de 500 MHz y más.
Por lo general, no uso planos de energía, ya que no se necesita mucho ancho de traza para dejar caer cualquier caída de voltaje IR al rango de microvoltios, y prefiero tener tierra allí.
Sólo otro enfoque.
Uno podría preguntarse: ¿por qué una señal de reloj entra en la región analógica? Tal vez necesite manipular sus aviones para traer tierra digital a los lados digitales de sus DAC/ADC (supongo que eso es lo que está pasando aquí).
Los relojes no deben pasar por vías. Hay un precio de inductancia y capacitancia que paga cuando usa vías y, a medida que aumenta la frecuencia de su reloj, esto eventualmente lo morderá. También fuerza las corrientes de retorno del reloj a través de una tapa de desacoplamiento. Realmente es una buena práctica mantener el reloj en una sola capa.
Esto se suma a los consejos anteriores.
Dependiendo de la velocidad del reloj y su enrutamiento, espero que se beneficie de pasarlo a través de un dispositivo en el límite de los dos planos, cuya entrada es relativa al plano digital y cuya salida es relativa a el plano analógico. Si el reloj se usa para muchos propósitos, también puede activarlo allí para que solo los pulsos de reloj que realmente eran relevantes para el ADC pasaran a través del límite.
Enrutar su reloj sobre planos de potencia dividida tendrá un impacto negativo. Como algunos otros han mencionado, es mejor usar un plano de tierra sólido y dividir su enrutamiento analógico y digital para mantenerlos aislados. Me preocuparía la EMI con su reloj pasando por un plano dividido (parece una antena de ranura) y es posible que desee considerar cambiar de terminación en serie a paralelo para su línea de reloj.
No digo que no se pueda cruzar planos divididos en este tipo de configuración, pero debe tener cuidado y comprender que habrá riesgos involucrados que no podrá cuantificar fácilmente.
Si va a mantener su diseño como está, me gustaría ver algunas notas de la aplicación de los chicos de ADC como Analog Devices (o su chip proveedor de ADC) para ver qué recomendaciones tienen para hacer este tipo de diseño de plano dividido.
Lamentablemente, los campos eléctricos empujarán a los electrones a explorar TODAS las rutas de retorno posibles, proporcionales a la conductancia (susceptancia, para señales de CA).
Sí, se preferirán algunos caminos debido a que tienen una impedancia más baja. Pero algunos electrones seguirán tomando otros caminos, porque esos otros caminos existen.
A frecuencias muy por encima de SkinFrequency (5 MHz para 35 micras 1 onza/pie^2), los electrones no tienen tiempo de penetrar la lámina y (en su mayoría) permanecen en un lado. A 20MHz, tiene 2 SkinDepths, o 2*8.9dB = 18dB de reducción (casi 10:1). A 80MHz, tiene 4 SkinDepths, o 4*8.9dB = 36dB de reducción (casi 180:1). A 320 MHz (quizás bordes de 1 nanosegundo), tiene 8 profundidades de piel o 8*8,9 dB = 72 dB de reducción (más de 30 000:1).
Tenga en cuenta que TODAVÍA HAY MOVIMIENTO de electrones a través de la lámina, hacia el lado opuesto al rastro del agresor. Todavía hay una caída de I*R en ese lado "tranquilo" del avión.
Martín