Dois-je vraiment diviser le plan de masse en parties analogiques et numériques?

Je suis sur le point de concevoir mon premier PCB dans le cadre de mon projet de fin d'études. Bien sûr, dans un premier temps, j'essaie d'apprendre le plus possible. Une partie de la recherche, j'ai trouvé cet article en 3 parties , qui suggère qu'il n'est pas nécessaire et dans certains cas, même nuisible de diviser le plan de sol en partie analogique et numérique, ce qui contredit ce que j'avais appris du prof. J'ai également lu toutes les discussions sur ce site qui concernent les plans / déversements au sol. Bien que la majorité soit d'accord avec l'article, il y a encore quelques opinions qui préconisent un plan au sol divisé. par exemple

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En tant que novice en conception de PCB, je trouve confus et difficile de décider qui a raison et quelle approche adopter. Alors, dois-je diviser le plan de masse en parties analogiques et numériques? Je veux dire la division physique, soit avec une coupe PCB ou ayant des polygones séparés pour DGND et AGND (soit non connectés, soit connectés en un point)

Peut-être pour vous permettre de faire une recommandation adaptée à mon futur PCB, je vous en parle.

Le PCB sera conçu dans la version gratuite d'Eagle => 2 couches

Le PCB est destiné au test et à la mesure précise (courant et tension) des batteries au lithium. La carte doit être contrôlée à partir du Raspberry Pi via une interface numérique (GPIO / SPI (40 kHz)). Il y aura 3 convertisseurs de données à bord (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) et des connecteurs pour un module RTC pré-construit du côté numérique. L'alimentation analogique provient d'une alimentation externe régulée via un régulateur de tension LT3042 embarqué (5,49 V). De plus, il existe une référence de tension LT6655B 5 V. La partie analogique est essentiellement un circuit DC, le seul vraiment HF est l'horloge maître interne de 16 MHz de l'ADC.

Le numérique 3,3 V (principalement pour l'alimentation des interfaces numériques) proviendra de Raspberry PI. Ainsi, il y aura 2 connexions à la terre: une alimentation externe et une interface numérique du Raspberry Pi.

À cet égard, une autre question: en référence à la figure 3 , comment puis-je m'assurer que les courants de retour des interfaces numériques circulent vers la bonne connexion à la terre (rappelez-vous que j'en ai 2)?

Autre préoccupation: le circuit de distribution électrique pourrait-il perturber les mesures sensibles? J'allais les séparer en acheminant l'alimentation sur la couche inférieure, mais ce n'est plus une bonne idée en cas de plan de sol monolithique

Et pendant que je me pose encore la question: en supposant un plan de masse plus ou moins monolithique en bas et une couche signal / composante en haut, quelle est la meilleure façon de connecter le côté négatif des condensateurs de dérivation au plan de masse?

Il faut penser en termes d'impédance partagée (pas de résistance, vraiment d'impédance).

Considérez les parties du circuit qui utilisent GND comme référence 0V à des fins analogiques sensibles. Évidemment, vous voulez que chacune de ces "références 0V" soit au même potentiel "0V". Cependant, le courant traversant le plan GND introduira une tension d'erreur supplémentaire au-dessus du "0V" de chaque puce.

Dessinez maintenant un schéma de votre GND, avec les courants qui le traversent.

Si vous ne divisez pas l'avion, mais que vous avez des courants élevés qui le traversent, car vous placez le connecteur d'entrée d'alimentation sur le côté gauche, le connecteur de sortie d'alimentation sur le côté droit et les bits analogiques super sensibles au milieu, alors vous pourrait avoir un problème en raison du courant élevé circulant dans GND et de la création d'un gradient de tension.

Selon la fréquence, considérez l'impédance (c.-à-d. L'inductance, pas seulement la résistance).

Maintenant, il existe plusieurs solutions à cela.

• Vous pouvez placer vos connecteurs d'alimentation à des endroits plus raisonnables (c.-à-d., Entrée d'alimentation à côté de la sortie d'alimentation) afin que les courants élevés ne voyagent pas dans votre plan GND. Cela s'applique à toutes les boucles de courant qui transportent des courants di / dt importants, bruyants ou élevés, comme les boucles internes d'un DCDC, ou les boucles entre celui-ci et sa charge (par exemple, un processeur) ou même le chemin de terre entre un capuchon de découplage. et la puce qu'il dissocie.

Assurez-vous de savoir où se trouvent ces boucles! Commandez-les par problème (à peu près "zone * di / dt" pour AC ou "zone * I" pour DC). Le placement est essentiel. Un bon placement avec des boucles de courant serrées rend la mise en page beaucoup moins compliquée.

• Vous pouvez utiliser des amplificateurs différentiels et des ADC qui ignorent le bruit en mode commun.

Ceci est obligatoire si la tension à détecter se trouve sur un shunt de courant côté haut. Supposons maintenant que vous utilisiez un ampli de détection actuel par exemple. N'oubliez pas que la tension sur sa broche "référence de sortie" (souvent mal étiquetée "GND") est directement ajoutée à la sortie ... alors ne collez pas l'ampli de détection entre deux MOSFET avec sa broche "GND" au milieu du "moteur" retour actuel "chemin ...

• Vous pouvez également diviser l'avion, mais vous devez ensuite décider où vous allez le diviser. Et (c'est là que les choses deviennent désagréables) où vous reliez vos deux terrains ensemble à DC (ou à des fréquences élevées si vous utilisez des isolateurs ...

Nommons vos deux motifs AGND et PGND (analogique et alimentation). Certains disent de se séparer et de rejoindre AGND / PGND ou AGND / DGND sous l'ADC. Cela signifie que tout courant qui passe entre AGND et PGND doit circuler dans la liaison au sol sous l'ADC maintenant, qui est le pire endroit possible.

Une solution qui a beaucoup de sens est la «scission cachée». Le placement est essentiel. Par exemple, vous mettez les trucs power / noisy à droite et les trucs sensibles à gauche. Vous placez vos bouchons de découplage de sorte que les boucles de courant d'alimentation traversant GND soient courtes et bien placées. Ensuite, puisque votre carte a deux zones bien définies, vous pouvez réduire la largeur du plan de masse les reliant, pour éviter que des courants élevés ne circulent dans la masse des bits sensibles.

C'est très visuel et difficile à expliquer, et placer correctement vos connecteurs est essentiel.

Ces tutoriels sont bons: https://learnemc.com/emc-tutorials

La simple introduction de SLITS dans le plan GND peut suffire à garder les déchets numériques / alimentation / relais / moteur en dehors des zones analogiques délicates. [EDIT 9 juin A montré qu'une région étroite atteindra une atténuation de 12 dB / carré. EDIT juin 2019 N'oubliez pas de refendre le Power Plane également (suggéré par barleyman)]

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Que pouvons-nous prévoir sur le placement de la fente par rapport au point d'entrée et au point de sortie du courant intrusif?

^{simuler ce circuit}

À quoi s'attendre, alors que la fente s'immisce dans les courants?

^{simuler ce circuit}

Nous avions environ 40 microvolts / carré le long du bord inférieur du PCB, en supposant 0,0005 Ohms / carré. Nous pouvons estimer la chute de tension I * R, causée par UN AMPÈRE en haut à droite du PCB, le long du bord inférieur du PCB à l'intérieur de la région analogique, simplement

Slit_Atten = longueur de fente / longueur de boucle entière à l'intérieur de la région sensible

La chute de tension tout en bas (par carré) est

Tension à travers la fente * Slit_Atten

Math: la fente est de 4 carrés, donc 4 * 40uV = 160uV.

Slit_Atten est de 4 carrés / 20 carrés (périphérie de la boucle entière) = 20%.

La baisse per_square I * R est de 160 uV * 20% = 32 uV.

Cela montre l'intérêt d'utiliser uniquement des régions NARROW entre numérique / bruit et analogique.

Voici une autre façon de refendre.

^{simuler ce circuit}

Tension par carré où les amplificateurs opérationnels ont besoin d'un GND silencieux = 32 uVolts, par carré. Pas très calme. Que faire?

1) couper encore plus la fente dans les plans; maintenant à 80%, passez à 95% et obtenez probablement une amélioration exponentielle du silence; lancez la simulation SPICE et voyez comment

2) faire la fente ----- pas étroite ---- mais profonde, comme ça

^{simuler ce circuit}

Que pouvons-nous prédire sur l'atténuation des fentes en "L"? Il s'avère que nous pouvons prédire une atténuation de 12 dB par carré de la région rétrécie. Nous zoomons et voyons cela

^{simuler ce circuit}

La vraie clé est TOUJOURS le placement, faites-le intelligemment et l'une ou l'autre configuration peut fonctionner pour quelque chose comme ça, se tromper trop mal et non seulement la carte sera très difficile à router, mais il sera difficile d'obtenir la précision que vous voulez.

Les plans solides régissent lorsque vous avez des choses rapides en cours, chaque fois que vous avez des taux de front dans la région des quelques ns (la fréquence d'horloge n'a pas d'importance, les taux de front le font), vous voulez un plan solide sous au moins cette région, je fais généralement un plan solide dans le premier prototype à chaque fois et je m'en occupe plus tard s'il ne me donne pas ce que je veux (je n'ai généralement pas besoin de le changer).

Maintenant, dans votre cas, la précision DC est importante, et en général, de telles choses sont mieux faites avec la détection différentielle (Décidez des deux points sur lesquels vous voulez mesurer la tension et mesurez cette tension, pas celle relative à un plan).

Ce n'est pas parce que vous avez un avion que vous devez vous y connecter à des points arbitraires que vous pouvez par exemple décider de renvoyer l'extrémité `` mise à la terre '' d'une résistance dans un amplificateur différentiel dans l'avion au même point que l'entrée des étages précédents résistance de diviseur, assurant ainsi qu'ils voient la même tension, les motifs hiérarchiques sont une bonne chose, mais des règles de mesure différentielles pour ce genre de choses.

5.49 me semble optimiste, abs max n'est pas un endroit où vous voulez être.

Les découpleurs vont généralement directement à l'avion.

Si vous décidez de diviser des plans, vous devez vous assurer qu'il y a une connexion continue sous la zone où les lignes de contrôle passent entre les deux, vous ne courrez jamais aucune trace sur une division dans le plan.

Compte tenu de vos faibles vitesses, n'oubliez pas que vous pouvez suréchantillonner et que la décimation étend la longueur effective de votre mot.

Quelques notes à ce sujet. Comme d'autres l'ont souligné, les boucles actuelles ne sont pas vos amis. Vous devez être conscient de vos circuits haute puissance / haute vitesse et de l'endroit où l'alimentation leur est fournie. Tout ce qui se trouve entre ces deux points est directement dans le champ de tir, ne placez pas vos ADC 16 bits entre un convertisseur élévateur et des LED contrôlées par PWM haute puissance.

Les fissures ou les fossés dans les plans au sol peuvent être bénéfiques, mais ceux-ci s'impliquent rapidement. La chose la plus importante à retenir est de NE JAMAIS CROISER UN FENDU DANS L'AVION AVEC UNE LIGNE DE SIGNAL À HAUTE VITESSE / SENSIBLE . Vos lignes de signaux ont besoin d' un chemin de retour de courant juste à côté d'elles. Donc, si vous créez un fer à cheval autour d'un ADC, vous devez également acheminer tous les signaux autour de ce fossé. Si vous devez absolument traverser une scission, vous pouvez utiliser un condensateur local pour relier des plans GND séparés, mais vous déjouez le but du fossé en premier lieu. En supposant que vous avez une carte multicouche, mais ce serait beaucoup moins douloureux de ne pas le faire. Échangez les calques avant le fractionnement sur un autre plan ayant un plan de référence uniforme. NBcela ne s'applique pas aux signaux / charges CC ou basse fréquence. Ils sont assez heureux de suivre le chemin de moindre résistance autour des douves. N'oubliez pas que vous devez faire correspondre les divisions dans les avions GND avec les divisions correspondantes dans les avions électriques!

Pour rendre cela plus compliqué, cela s'applique au plan de référence, c'est-à-dire au plan de masse à côté de la couche de signal. Si vous avez 8 couches ou plus, peu importe ce qui se trouve sur le plan L2 si votre circuit sensible est sur L8. Vous pouvez également utiliser le plan d'alimentation comme référence, mais souvent, de nos jours, vous avez un certain nombre d'avions d'alimentation (5 V, 3,3 V, 1,8 V, 1,2 V, -5 V, peu importe), de sorte que les circuits incriminés ne peuvent être référencés que par le plan d'alimentation. il provient de ... Référencer un plan PHY 1,8 V à 3,3 V ne fonctionnera pas. À moins que, vous savez, vous fournissez à nouveau ces casquettes de couture entre les plans.

J'ai fait un circuit multiplex ADC à haute vitesse qui a atteint un niveau de bruit essentiellement nul (~ 0,6 unité ADC) en séparant VCC et VCCA plus GND et AGND. Mais je sais ce que je fais et j'ai passé du temps à cartographier religieusement des lignes analogiques et à créer des "îlots" de cuivre apparenté sur la couche suivante, etc. La plupart du temps, je garde tous les terrains ensemble et je fais attention aux boucles actuelles.

Le changement de couches compte également comme une division dans l'avion, vous devriez donc avoir un GND correspondant à proximité pour que le courant de retour à grande vitesse n'ait pas à faire de détours supplémentaires.

Note finale : le courant de retour suit le chemin de moindre résistance. Pour les basses fréquences, c'est la route de cuivre solide la plus courte disponible qui peut ne pas suivre votre signal / trace de puissance. Pour les fréquences plus élevées, il se trouve juste à côté du signal d'attaque car la séparation augmente l'impédance. C'est pourquoi le croisement des avions se termine en larmes lorsque vous créez une discontinuité qui se traduit par des réflexions, des fréquences RF rayonnées, une perte d'intégrité du signal, une pluie de grenouilles, etc.

Vous pouvez séparer complètement l'alimentation et la terre pour l'analogique et le numérique. Utilisez des convertisseurs DC-DC isolés et une opto-isolation pour l'interface numérique entre les deux.