La figure 15. Toutes les voies de courant, IC2 sourcing.

 

une méthode simple, sans coupes dans le plan de masse permet de mises en page de PCB réussies avec ce genre de IC. Nous commençons ce document avec les bases : où le courant circule. Plus tard, nous décrivons comment placer les composants et Itinéraire traces de signal pour minimiser les problèmes de diaphonie. Enfin, nous passons à considérer la puissance d’alimentation de courant et se terminent en discutant comment étendre ce que nous avons appris aux circuits avec plusieurs signaux mixtes ICs.

Une version de cet article s’affiche en trois parties sur EDN, 27 août 2012, 11 septembre 2012 et le 17 septembre 2012.
Introduction
Niveau carte concepteurs ont souvent des préoccupations au sujet de la bonne façon de gérer la mise à la terre pour les circuits intégrés (ci), qui ont des motifs distincts analogiques et numériques. Si les deux devraient être complètement séparé et ne jamais toucher ? Doivent ils se connectent à un point unique avec des coupes dans le plan de masse pour faire respecter ce point unique ou au sol « La Mecque » ? Comment une terre de la Mecque peut être implémentée lorsqu’il y a plusieurs ICs qui appellent pour des motifs analogues et numériques ?
Ce tutoriel aborde la terre bonne carte de circuits imprimés (PCB) pour les conceptions de signaux mixtes. Pour la plupart des applications, une méthode simple, sans coupes dans le plan de masse permet pour les dispositions de PCB réussies avec ce genre de IC. Ensuite, nous apprenons comment placer les composants et Itinéraire traces de signal pour minimiser les problèmes de diaphonie. Enfin nous passons à considérer la puissance d’alimentation de courant et se terminent en discutant comment étendre ce que nous avons appris aux circuits avec plusieurs signaux mixtes ICs.
Suivez le courant
N’oubliez pas que nous appelons une collection de composants électriques ou électroniques connectés un « circuit » parce que les courants coulent toujours d’une source à une charge, puis de nouveau via une voie de retour — un cercle de toutes sortes. Gardant à l’esprit, où le courant passe, tous deux dans le sens destiné à faire le travail désiré ainsi que le courant, de retour qui en résulte est fondamentale pour réaliser des travaux de circuit analogique bien. Et, oui, tous les circuits numériques sont des circuits analogiques ; ils constituent un sous-ensemble pour lesquels nous donner un sens à deux États seulement. Les transistors et autres composants, ainsi que les courants et les tensions au sein du circuit, toujours exploitent par les mêmes principes physiques comme les autres circuits analogiques. Ils vont induire des courants de retour dans la même manière que tout autre circuit.

La figure 1. Une simple connexion est une connexion directe d’un IC à l’autre.

 

La figure 1 illustre les connexions dans un design les plus simples : une connexion directe d’une seule puce à l’autre. Pris dans un circuit idéal dans un idéal monde1, l’impédance de sortie de IC1 est nul et l’impédance d’entrée de IC2 serait infinie. Par conséquent, il y n’aurait aucun courant. Dans le monde réel, toutefois, courant coulera de IC1 et IC2, ou l’inverse. Que se passe-t-il à ce courant ? T-il simplement remplissez IC2 ou IC1 ? C’est une question de rhétorique facétieuse.
En fait, il doit y avoir une autre connexion entre IC1 et IC2 afin que le courant circulant dans IC2 de IC1 retour à IC1 et vice versa. Cette connexion est généralement broyée et n’est pas toujours indiquée dans une section numérique d’un schéma (Figure 1). Au plus, il est sous-entendu par l’utilisation de symboles au sol comme sur la Figure 2 a. Figure 2 b représente le circuit complet pour courant.

La figure 2. Le circuit simple de la Figure 1 avec sol impliquée (2 a) et avec le sol actuel chemin indiqué (2 b).

 

Bien sûr, l’ICs eux-mêmes ne sont pas les sources de courant. L’alimentation du circuit est. Pour simplifier les choses, nous supposons un rail d’alimentation unique et penser à l’alimentation comme une batterie. Pour être complet, nous contourner les fournitures à ICs avec condensateurs.
Tous les courants CC a finalement commencent et terminent à la source d’alimentation. La figure 3 montre le circuit complet avec le flux de courant DC lorsque IC1 est sourcing le courant indiqué.

La figure 3. IC1 approvisonnement courant continu.

 

Pour les signaux de haute fréquence (“élevé” en grande partie déterminé par l’impédance de source d’alimentation et de la capacité de dérivation), le courant commence et se termine par le condensateur de dérivation. La figure 4 illustre le flux de courant haute fréquence signal.

La figure 4. IC1 sourcing le courant haute fréquence signal.

 

Il est important de se rappeler qu’une sortie n’est pas toujours la source des courants. Par exemple, considérez le cas où une sortie de IC1 est connectée à une entrée de IC2 qui a une résistance pullup avec VDD. Figure 5 montre courant transitoire (haute fréquence) de cette situation avec l’entrée actuelle de C2 à travers le pullup dans IC2 sur à la FET côté bas dans IC1, qui est sur et ensuite à travers le fil de terre à la terre de C2 de IC1. IC1 est le dispositif « conduite », naufrage actuel à sa broche de sortie par un court-circuit à la terre avec un FET, la source de courant est de C2-IC2.

La figure 5. IC2 le courant haute fréquence d’approvisionnement.

 

Si la broche de sortie de IC1 Figure 5 reste faible pendant une longue période, puis le courant statique qui est tirés au sort viendra directement à partir de la source d’alimentation (Figure 6).

La figure 6. IC2 approvisonnement courant continu.

 

À ce stade de notre exposé sur les principes de base, le modèle a été quelque peu simpliste. Nous avons divisé signaux en basse fréquence et haute fréquence comme s’il y a une limite bien définie entre les deux. La vérité est que les deux chemins sont toujours impliqués. Dans la Figure 6, à l’initiale de la transition de la sortie de IC1 à l’état bas, le courant vient du condensateur de dérivation à IC2. C’est parce que la sortie de IC1 est « exigeant » un courant quasi instantanée de l’axe d’entrée de IC2, qui le tire de ce courant de sa broche d’alimentation.
Nous avons placé un condensateur de dérivation à IC2 avec des connexions très courtes à sa puissance et au sol pins précisément pour fournir la demande rapide actuelle. La source d’alimentation ne peut pas fournir ce courant transitoire car il n’est pas très proche de l’IC. Ainsi, il a une résistance considérable et, surtout, inductance entre elle et la broche d’alimentation de IC2. C’est la raison pour placer des condensateurs de dérivation à l’ICs : fournir les transitoires de courant (haute fréquence) que l’alimentation ne peut pas. Comme transitoire s’installe dehors, plus et plus de courant vient de la source d’alimentation et de moins en moins provient du condensateur de dérivation.
Nous simplifions ce concept plus loin en disant que le courant continu provient de la source d’alimentation et le courant vient du condensateur de dérivation. Bien sûr, nous savons que c’est un peu plus complexe que cette explication.
Comme nous considérons les situations plus dynamique, nous constatons que tous les courants s’écoulent grâce à une combinaison des quatre chemins ci-dessus. Le chemin d’accès commun dans les deux sens commence avec la broche d’alimentation de la sourcing composant IC1 IC2), produit (par le biais de ce composant et par l’interconnexion à l’autre composant (IC2 ou IC1), puis par le deuxième volet de sa broche de terre. Manière dont le courant termine son circuit de terre à la broche d’alimentation du volet approvisionnement dépend de la vitesse du signal. Le courant continu tout retournera à la terre de la source d’alimentation ; Il s’écoulera du câble d’alimentation de la source d’alimentation à la broche d’alimentation de la composante de sourcing. Signal de haute fréquence actuel mais retournera à la terre de condensateur de dérivation du composant sourcing, qui alimente également le courant à la broche d’alimentation. En réalité, les deux chemins sont toujours impliqués, avec le chemin de DC dominant pour les signaux de basse fréquence. N’oubliez pas que même si un signal numérique passe à un rythme lent (par exemple, une onde carrée de 1Hz), les transitions d’État qui causent les transitoires de courant sont aussi rapides qu’avec un signal de fréquence beaucoup plus élevé. Ils n’existent tout simplement pas aussi souvent.
Bien sûr, nous avons affaire à une bonne conception ici, donc les condensateurs bypass et l’IC de puissance et au sol les épingles sont très proches. Contournant correcte comme ça facilite travail un concepteur beaucoup. Nous pouvons habituellement juste penser le condensateur de dérivation et de l’IC comme une seule entité lorsqu’on considère l’écoulement des courants de signal à travers un PCB.
Notez, enfin, que le pouvoir actuel pour AC à grande vitesse des signaux se déplace très loin d’un condensateur de dérivation à l’EI qu’il est ignorant. Les chemins d’accès par le biais de l’ICs eux-mêmes, bien sûr, sont courtes. La grande majorité de la distance de la boucle de courant est l’interconnexion de la sortie d’une puce à l’entrée de l’autre et le chemin de retour au sol. Revoir Figure 4 et Figure 5 et envisagez ce qui se passe si l’ICs sont séparés par une distance plus grande. Les condensateurs bypass restent près de leur respectif IC, et toute la distance est ajouté à l’interconnexion et le retour au sol. Pour les courrants de signaux haute vitesse, c’est où nous verrons… des problèmes s’ils se produisent.
Motifs et fournitures analogiques et numériques
Dans le circuit de diagrammes ci-dessus nous n’ont pas été identifiés l’ICs et les signaux numériques ou analogiques. IC1 pourrait être un ampli op avec le FET de côté bas comme la partie inférieure de l’étage de sortie ; la broche sur IC2 pourrait être l’entrée d’un convertisseur analogique-numérique (ADC). IC1 pourrait tout aussi bien être un microcontrôleur avec une sortie de va-et-vient pour une tige de I/O standard ; l’entrée de IC2 pourrait être une broche de commande sur un convertisseur numérique-analogique (DAC).
Nous citons convertisseurs a/n et la DACs car ce sont généralement les éléments qui causent des préoccupations à la terre pour les deux les signaux analogiques et numériques.
Circuits analogiques ont tendance à travailler avec des signaux qui varient d’une manière plus fluide et continue et pour quels petits changements de tension ou courant sont significatives. Circuits numériques ont tendance à transition brusquement d’un État à un autre, générant des impulsions de courants ; ils ont tendance à avoir une large fenêtre de tension qui correspond à un seul État. C’est ces impulsions relativement importantes, forte de numérique actuelle pendant les transitions qui peuvent accabler les signaux analogiques précis si les deux ne sont pas suffisamment séparés les uns des autres.
Le chemin d’accès d’impédance moins
Il est tel un principal bien compris que le courant circule dans le chemin de moindre résistance que le concept a fait son chemin dans le langage courant. Malheureusement, cela vaut seulement pour courant continu. Une façon plus complète et plus précise d’énoncer le principe est que le courant de circuler

La figure 7. Simple trace indirecte.

 

Supposons maintenant un plan de masse solide avec la terre à chaque IC près du point de connexion de trace. Les courants de retour doivent aller de la connexion à la terre d’un IC à la connexion à la terre de l’autre. Puisque nous avons un plan de masse solide, le chemin de moindre résistance et donc le chemin du courant continu, sera une ligne droite (la flèche bleue dans la Figure 8). À haute fréquence l’inductance mutuelle entre la trace et le plan de masse sous lui rendre le chemin de terre d’impédance moins directement sous la trace (la trace rouge sur la Figure 8).

La figure 8. Voies de courant de retour au sol montrent le chemin de moindre résistance (bleue) et le chemin de moindre impédance (rouge).

 

Mais ce qui est « haute fréquence » ? Un guideline2 commun est que les fréquences de quelques centaines kHz et plus ont des courants de retour qui suivent le chemin sous la trace du signal. La fréquence réelle ci-dessus qui nous considérons comme « élevé » est déterminée par la trace, bord des géométries (largeur de la trace, l’espace entre les couches) et matériel (constante diélectrique) à bord. Le retour actuel de suivre à la trace, dans la plupart des cas courants nous avons besoin ne se soucient exactement à quelle fréquence il s’agit.
Traitements mathématiques de ce phénomène sont extrêmement complexes et, pour cet auteur, très déroutant. Heureusement, le Dr Bruce Archambeault a publié sur cette affaire.3 et a gracieusement fourni les chiffres suivants qui montrent visuellement ce sujet beaucoup mieux qu’une page pleine d’équations peut ne jamais.
La figure 9 illustre la géométrie d’un exemple de trace en forme de « U » sur un plan de masse.

La figure 9. Géométrie physique pour cet exemple. (Dessin avec la permission de Dr Bruce Archambeault.)

 

Dr. Archambeault a alors couru des simulations électromagnétiques pour les signaux de fréquences différentes pour voir par quels chemins le courant s’écoulerait. Les courants de signal vers l’avant pour chaque cas, bien sûr, sont contraints à la trace. Toutefois, les courants de retour au sol peuvent circuler n’importe où sur le plan de masse.
La figure 10 illustre comment les courants pour un signal de 1kHz s’écoulent. Principalement, le courant de la terre s’écoule directement à partir de la charge à la source en ligne droite, comme en témoigne la mince ligne jaune. Une petite quantité des flux actuels au sol le long du trajet du signal (bleu clair), durant l’acheminement des montants encore plus faible entre ces deux voies comme indiqué par la couleur bleue plus sombre d’une grande partie de l’avion.

La figure 10. 1kHz sol actuel flux de charge à la source en ligne droite. (Dessin avec la permission de Dr Bruce Archambeault.)

 

La figure 11 illustre actuel pour un signal de 50kHz qui coule principalement le long de la trace du signal (la verte et vaste ligne suivant le chemin de la trace) et, dans une moindre mesure, directement à partir de charge à la source (la ligne plus pâle, large, verte des deux bouts de la trace) et entre les deux. La zone centrale est bleu clair et bleu foncé pas, indiquant un minimum de courant.

La figure 11. courant de terre 50kHz coule partout. (Dessin avec la permission de Dr Bruce Archambeault.)

 

Enfin, la Figure 12 montre les chemins actuels avec un signal de 1MHz. Pratiquement tout le terrain retour courant circule sur la voie de la trace du signal.

La figure 12. Terrain de 1MHz actuel suit la trace du signal. (Dessin avec la permission de Dr Bruce Archambeault.)

Comme on s’attendrait, courant de retour étalé sur un plan plus large que la trace elle-même. La distribution de courant pour ces fréquences supérieures est donnée par le equation.4 suivant
Équation 1. (EQ. 1)
Où :
J(x) est la densité de courant ;
I est le courant total ;
w est la largeur de la trace ;
h est l’épaisseur de couche de la planche (la hauteur la trace est au-dessus du plan) ;
x est dans quelle mesure de directement sous la trace nous mesurer le courant, comme illustré à la Figure 13.

La figure 13. Coupe transversale du Conseil.

Il est important de noter que l’équation 1 est indépendante de la fréquence (encore une fois, en supposant que la fréquence est élevée, comme indiqué plus haut). Lorsque nous évaluons l’équation 1, nous obtenons une distribution gaussienne prospectifs avec un pic directement sous le centre de la trace. Si nous additionnons le courant entre x = -h x = h, on constate que 50 % du courant total est dans cette gamme. En outre, 80 % du courant est entre x =-3 h et x = 3 h. Comme on s’attendrait intuitivement, le diluant la couche Conseil (c.-à-d., se rapproche de la trace de l’avion), plus la répartition actuelle sera.
Condensateurs de dérivation sont importants
Comme mentionné plus haut dans le didacticiel, une description plus complète de l’écoulement du courant dans un circuit quelconque comprend le condensateur de dérivation à chaque IC et la source d’alimentation. Nous commençons par l’exemple simplifié deux-IC circuit de la Figure 8. Ensuite, nous incluons les condensateurs bypass à la Figure 14. Ce diagramme montre les chemins actuels avec IC1 sourcing. Dans cet exemple il est un plan de masse solide sur une couche adjacente à la couche de signal, qui est supposée pour être la couche de composant. Puissance est distribuée sur cette couche supérieure avec les grandes traces métalliques montrés en gris. Au plan de masse, les connexions sont faites avec vias de la section métal verte sur la couche de signal au plan de masse.

La figure 14. Les chemins de courant complets, IC1 est sourcing.

Les courants de signal sur la couche de signal/composant sont affichés avec des lignes en pointillés. Ils sont les plus faciles à comprendre, car ils se limitent strictement aux traces de signal que nous choisissons de placer. Les courants de retour ont un avion entier sur lesquels ils peuvent couler. Puisque les courants CC naviguera sur le chemin de moindre résistance, nous savons que le DC retour chemin iront directement à partir de la broche de terre de l’appareil de charge, dans ce cas, la connexion à la terre de la source d’alimentation de la plus courte distance, IC2, une ligne droite. Les courants de haute fréquence (transitoires) seront écoule sous la trace du signal dont la répartition est déterminée par la géométrie de la trace et le Conseil d’administration.
Nous pouvons creuser plus profondément dans le flux de courant pour les signaux qui sont entre les deux cas. Commencer avec les fréquences bas assez qu’une partie importante des flux actuels de la source d’alimentation, plutôt que pratiquement tout le courant qui circule depuis les condensateurs. Dans ce cas, il y a encore des inductance mutuelle qui forcera le courant à retourner sous la trace du signal, mais la distribution, bien sûr, sera beaucoup plus large. Aussi, une fois le retour actuel sous la trace atteint l’IC, elle pas tous retourne au sol condensateur. Au lieu de cela, un pourcentage du courant provenant du condensateur retournera sur son sol, tandis que le reste sera de retour à la terre source de puissance. Enfin, étant donné que la fréquence devient inférieur, l’inductance mutuelle aura de moins en moins affecte ; plus de courant s’écoulera à travers le chemin de la DC.
Heureusement, ce cas entre-deux est déjà géré par nos efforts pour traiter la haute fréquence et les cas de DC, aussi longtemps que nous faisons aussi un bon travail de fois sans passer par l’ICs et distribution d’énergie correctement. Ces deux points plus tard sont vraiment deux facettes d’un même effort. Comme la puissance source est éloigné plus loin l’IC qu’il alimente, l’impédance — fois résistance et inductance — entre les deux va augmenter. Il arrive aussi que la trace reliant les deux diminue de largeur. L’impédance plus entre la source d’alimentation et de l’IC (n’oubliez pas d’inclure l’impédance retour) qui sont exposé par l’interconnexion, plus le condensateur de dérivation va être invoqué pour l’approvisionnement des courants de fréquence inférieures. Ainsi, plus de capacité est nécessaire comme l’impédance de source de puissance augmente.
Encore une fois nous devons satisfaire à l’exigence de contournement adéquat de puissance à l’ICs.
Pour être complet, la Figure 15 illustre le flux de courant lorsque IC2 est sourcing.

La figure 15. Toutes les voies de courant, IC2 sourcing.

Remarquez l’interconnexion trace sur la couche de signal/composant. Nous avons seulement changé le sens des flèches pour le signal actuel et le courant de retour de AC. Dans ce cas, il est C2, le condensateur de dérivation pour IC2, qui fournit le signal alternatif actuel via broche DMV de IC2 sur la broche de signal sur IC2. Le signal actuel livré à IC1 va au sol en traversant la broche de terre de IC1 ; la partie AC retourne sur le plan de masse sous le trajet du signal et la portion DC retourne en ligne droite à la source d’alimentation.
Sol n’est pas une liaison équipotentielle
À ce stade, qu’il est important de comprendre qu’un plan de masse, malgré ce que nous étions a enseigné EE101, n’est pas une liaison équipotentielle. Elle a tout d’abord, quel que soit l’épaisseur du cuivre est pour votre plan de masse, résistance. Donc, si l’analogique et le numérique retournent courants (ou les deux courants) partagent une partie du plan de masse (c’est-à-dire, leur flux de courants à travers le métal même) il y aura discussion croisée entre les deux comme la résistance cuivre provoque des chutes de tension IR. Pensez-y de cette façon : les broches de terre de deux composants différents se connecter au plan de masse à presque le même point et leurs courants de revenir à un seul point à l’autre bout de la planche. Supposons que la résistance de cuivre de l’avion le long de ce chemin d’accès est 0.01Ω et que le composant A est sourcing 1 a alors que le courant de la composante B est 1µA. À la fin où ces composants se connectent, la tension de sol sera supérieure à la tension au sol à l’endroit où les courants de retournent de 10 mV. Même composant B, qui est d’éteindre seulement 1µA, connaîtra une hausse de 10mV au-dessus du point de retour. Si le courant de composant A fait alterner de 1 a à 0 a, n’importe quelle tension référencée au composant B changeront en haut et en bas par 10mV avec ce courant.
Les chemins de retour partagés souvent provoquent des problèmes lorsque circuits numériques résident conjointement avec des circuits analogiques. Le partage peut interférer avec le bon fonctionnement d’un circuit analogique de précision.
Une autre cause de tensions non uniformes dans l’ensemble un plan de masse est longueur électrique. Aux fréquences plus élevées, la longueur des chemins à travers le plan actuels peut être un pourcentage significatif de la longueur d’onde des signaux se propageant sur la planche. Nous ne poursuivrons pas ce fait dans ce tutoriel. Il suffit de dire que le plus court est préférable.
Reconstituer les
Avec les bases de la circulation du courant sur un PCB compris, nous pouvons commencer à utiliser cette connaissance pour gérer correctement l’échouement du mixtes analogique-numérique ICs. En fin de compte, le but est de faire en sorte que les courants analogiques et numériques ne partagent pas certaines parties de la même voie de retour.
Maintenant, vous vous rendez compte que tout vise à réduire au minimum les points communs des chemins de retour pour les signaux numériques et analogiques. C’est, en fait, le but. Si nous y parvenons, nous permettra d’éliminer la cause majeure des problèmes lorsque les signaux numériques « méchants » corrompre les signaux analogiques « vierges ».
Une hypothèse commune est que l’on doit couper le plan de masse en une section numérique et une section analogique. Il s’agit d’un bon point de départ. Comme vous le verrez, si nous posons tout correctement, nous pouvons juste remplir dans les coupes sans changement de rendement.
Couper le plan de masse… pour l’instant
Nous commençons avec une ADC générique sur une planche comme le seul composant avec des circuits analogiques et numériques. Ensuite, nous allons déterminer où couper le plan de masse pour un motif de point unique.
La figure 16 illustre les connexions des broches pour notre puce de l’ADC. Seulement les broches d’alimentation et de masse sont marqués explicitement. Autre l’étiquetage indique simplement si la connexion est pour une broche analogique ou numérique ; leurs fonctions spécifiques sont sans importance. Une broche analogique peut être l’un des plusieurs broches de signal d’entrée ou une référence d’entrée ou de sortie. Une broche numérique peut faire partie d’une interface série ou parallèle, une broche de commande ou un chip select. Pour notre discussion, nous les traitons les mêmes quel que soit leur fonction spécifique.

La figure 16. Un IC de l’ADC.

Notez que les broches numériques sont contigus, comme le sont les broches analogiques avec analogique et numérique de terrain adjacent. Ce n’est pas rare, parce que les concepteurs de la puce doivent gérer les mêmes réalités que les concepteurs de la Commission. Notez également qu’il y a deux broches de terre numérique. Cela est parfois nécessaire pour que les courants telluriques dans la puce ne causent pas de problèmes car ils courent d’un bout de la puce à l’autre.
Puisque les broches analogiques et numériques sont regroupés bien ici, c’est très facile de décider où placer les coupes de plan au sol (temporaire).

La figure 17. ADC avec coupe le plan de masse.

Nous voyons le plan de masse en bleu sur la Figure 17 avec le sol monopoint à droite les broches de terre adjacente d’analogiques et numériques. Généralement quand un plan de coupe doit être utilisé comme cela, le concepteur met toutes les puces numériques et les composants connexes sur un côté de la coupe et tous les circuits analogiques et les composants connexes de l’autre côté. De cette façon leur NIP au sol peut se connecter à la partie correcte du plan de masse. Rappelons que, pour que cet exemple notre ADC est le seul appareil avec les broches analogiques et numériques et les signaux.
Supposons maintenant que nous avons fait un excellent travail à ce sujet, que tous les composants numériques sont complètement au-dessus de la partie numérique du plan de masse, et que tous les composants analogiques sont au-dessus de l’autre partie. Nous ne sommes pas encore faits. Nous devons considérer l’acheminement des traces de signal.
Les Traces de Signal de routage
Nous commençons par un signal numérique de l’un de l’autres ICs dans cette conception routé comme illustré sur la Figure 18.

La figure 18. Mauvais acheminement d’une trace numérique.

Ce suivi est acheminé dans une grande partie de la section analogique et traverse le sol, couper en deux endroits. La plupart des concepteurs il reconnaîtrait comme mauvaise forme parce qu’il engendre une trace numérique dans le domaine analogique qui possible, par conséquent, contaminer les signaux analogiques. Si cela est vrai, l’ampleur du problème n’est souvent pas pleinement apprécié. Examiner où retournerait du courant alternatif.

La figure 19. Retour pour la trace numérique mauvaise terrain.

La figure 19 montre le retour actuel à orange. Remarquez comment il suit la trace du signal jusqu’à la rencontre d’une coupe. À ce moment-là, il peut retourner uniquement à travers le sol monopoint pour obtenir de l’autre côté de la coupe. Par conséquent, nous avons non seulement le courant numérique avec son contenu de haute fréquence qui traverse au sol de la circuiterie analogique — quelque chose que nous essayions d’éviter — mais nous avons également créé deux antennes de belle boucle qui rayonnent à ces signaux.
Pour notre terrain coupé méthode fonctionne, nous devons nous assurer que les composants numériques et analogiques restent sur leur côté respectif de la coupe et que les traces n’aussi.
Que se passe-t-il lorsque nous répondre à cette exigence ? La figure 20 montre toutes les traces de signal acheminés sans traverser toute coupe de sol. La circulation de courants de retour sous les traces de signal, minimisant la région de la boucle, car la seule chose qui sépare le signal de la trace du plan de masse est l’épaisseur du circuit imprimé lui-même.

La figure 20. Toute trace en route sur le côté approprié.

Examinez un près du sol actuel à la Figure 20. Aucun des courants « veut » traverser les coupes de plan au sol. C’est parce que nous avons pris soin de placer les composants afin que toutes les connexions, numériques ou analogiques, sont sur leurs terrains respectifs. Ensuite nous avons acheminé toute trace de rester dans la zone appropriée. Puisqu’aucun courant ne traversent les coupes, les coupes ne servent aucun objectif et peut donc être éliminés (c’est-à-dire complété avec métal).
Qu’en est-il de la puissance ?
Nous avons décidé d’éliminer les coupes de terrain dans la disposition de notre exemple car il n’y a aucun courant de retour de signal qui « veulent », traverser les coupes. Cependant, nous disposons d’envisager les connexions d’alimentation. Si la puissance analogique et numérique est de l’alimentation même exacte, alors la source et du rendre doivent être sur un côté de la pièce ou de l’autre (Figure 20). Dans ce cas tous le DC retourner courants (et fréquences assez faibles courant significatif provenant de l’alimentation et pas les condensateurs bypass) de l’autre côté de coupe doit canaliser à travers le pont étroit au sol plutôt que de va directement à la puissance retourner connexion. Ce qui rend leur chemin plus long, la résistance qu’ils rencontrent le plus grand, et donc la tension devient plus grande.
Cette disposition est sans problème pour le retour au sol les courants où les broches sur le connecteur ADC coulent le signal courant, parce que ces courants de retour des broches au sol qui sont à la fois sur le pont. Toutefois, les courants de pins de terrain sur les autres composantes ont à prendre une voie indirecte. La figure 21 illustre ces courants.

La figure 21. Courants telluriques de DC avec des coupes.

Enlever les coupes
Si nous enlevons les réductions, les courants de retour DC peuvent couler plus directement, avec une résistance plus faible et diminuer ainsi les chutes de tension. La figure 22 montre la même terre courants mais avec les coupes supprimé.

La figure 22. Circuit de la Figure 21 avec les coupes de terre enlevée.

Le même raisonnement peut être étendu à la situation où il y a plusieurs rails. Il suffit de se rappeler où les courants de retour vont couler et compte les rails multiples, comme nous l’avons fait avec le rail unique.
Défi de la mise à la terre de multiples signaux mixtes ICs
Le problème avec coupe les avions au sol devient plus évidente lorsqu’on examine une conception avec plus d’un IC nécessitant des motifs analogiques et numériques. Supposons que nous avons deux de l’ADCs mêmes discutés ci-dessus. La figure 23 montre cette configuration et comment il n’est pas possible d’obtenir le motif désiré monopoint.

La figure 23. Deux convertisseurs a/n avec un plan de coupe.

Une réaction immédiate à cette situation pourrait être l’un de l’ADCs tourner 180 degrés, donc mêler les deux dans un seul point de sol. Cependant, qui mettrait la portion numérique d’un circuit au nord de l’ICs avec la section analogique au sud de la SCI ; l’arrangement devrait être retournée pour les autres circuits. Le résultat serait chaos — un gâchis de signaux analogiques et numériques de l’autre manière. Même si cela pourrait être mis en oeuvre, il ne résout pas le problème de trois ou plusieurs jetons avec des motifs analogiques et numériques.
Heureusement, nous pouvons appliquer les mêmes principes de mise à la terre pour un seul IC de signaux mixtes. Nous imaginons que les coupes sont là, ou nous les insérer temporairement si nous sommes imagination contestée. Puis nous plaçons des composants et la route afin que nous ne permettons pas de traces de traverser les coupes. Nous devrons également empêcher le partage des chemins de terre avec les signaux analogiques de ADC2 signaux analogiques de l’ADC1. C’est généralement facile à faire, que nous placerons naturellement les composants pour le circuit de l’ADC plus près que vers son voisin. La figure 24 montre à quoi cela pourrait ressembler avec les courants de signal montrés sous forme de lignes rouges et les courants de retour AC montrés sous forme de lignes orange.

La figure 24. Toutes les traces routés sur le bon côté des incisions.

Comme avec l’exemple d’un seul IC de signaux mixtes, aucun des courants « veut » traverser les coupes pour les coupes peuvent être éliminés.
Le même raisonnement peut être étendu à des situations plus complexes. En général, c’est juste une bonne idée de penser à où le courant s’écoule pour n’importe quel signal et comment elle pourrait nuire, ou être corrompus par, autres courants circulant dans le même métal. C’est suffisant pour la plupart des applications.
Parfois les coupes peuvent être utiles
Il y a des situations où diverses contraintes mécaniques, tels que les endroits désirés des connecteurs, rendent difficile de garder le flux de courant, particulièrement basse fréquence ou courant continu, loin des circuits que nous voulons protéger. Dans ces cas, nous devrons recourir à placer judicieusement des coupes dans le plan de masse.
Le désir d’éviter ces complications est bonne motivation pour examen de placement mécanique des connecteurs ainsi que le placement de composant PCB et le routage tôt dans un projet. Si les connecteurs sont placés avec la contrepartie de la disposition au départ d’un dessin ou modèle, il peut déposer la mise en page finale beaucoup plus facile, plus propre et surtout, avec succès.
Même si l’on considère attentivement l’interaction entre les stages mécaniques et sens du signal, nous pouvons facilement avoir des situations où les exigences externes nous obligent à mettre des interfaces dans les lieux qui font qu’il est difficile de suivre certains courants d’aller où nous ne voulons pas qu’ils aillent.
La figure 25 montre une planche avec le numérique, analogique et puissance des interfaces à des endroits précis en raison de la configuration requise. Nous avons fait un bon travail de placer le contenu numérique bruyant près, mais séparé, nos circuits analogiques sensibles. Tel que noté ci-dessus, tous les jetons qui sont analogiques et numériques sont judicieusement placés dans la zone limitrophe.

La figure 25. Une carte numérique et analogique avec emplacements fixes interface externe.

Nous avons même fait un bon travail de positionnement les régulateurs de puissance, afin que le sol de la fréquence supérieure retourne pour analogique et numérique n’aura pas tendance à partager chemins. Toutefois, n’oubliez pas que DC et les courants de basse fréquence puissance seront tous de retour au sol source puissance qui se trouve dans le coin inférieur gauche de la voie de moindre résistance : une ligne droite.
Le résultat est cette grande DC et les courants de basse fréquence de la région inférieure droite de la section numérique seront déroulera tout droit à travers les circuits analogiques sensibles. Nous pourrions résoudre le problème en plaçant un horizontal couper entre les sections de circuits analogiques et numériques qui s’étend sur le bord droit du Conseil d’administration. Cependant, nous ne voudrais pas courir les signaux d’interface entre le numérique-les sections analogiques à travers cette coupe. Ces traces autour de la coupe de routage causerait à prendre une route longue et indirecte qui pourrait être tout à fait irréaliste, surtout si il y a beaucoup d’eux ou s’ils sont particulièrement rapides.
Une autre idée serait de placer une verticale entre les circuits analogiques et les régulateurs analogiques, forçant la puissance numérique retour actuel s’écouler loin des circuits analogiques. Il faudrait aussi nous acheminer la puissance analogique autour de la coupe. La figure 26 montre comment cela se ferait.

La figure 26. Conseil analogique et numérique avec sol coupé.

Le chemin d’accès de DC de la moindre résistance de la circuiterie numérique au sol source puissance maintenant n’est plus une ligne droite. C’est, au contraire, un chemin qui passe au-dessus de la coupe, contournant ainsi le circuit analogique (dans toute sa Majesté vierge). Cet arrangement peut être suffisant. Toutefois, il peut aussi être lourde s’il y a plusieurs rails d’alimentation analogique tel qu’illustré.
Dans certains cas, les régulateurs analogiques eux-mêmes sont sensibles avec un faible bruit nécessaire pour le bon fonctionnement des circuits analogiques. La figure 27 montre un arrangement différent. Le concept est le même que celui de la Figure 26, sauf que les régulateurs analogiques sont sur le même côté de la coupe que les circuits analogiques.

La figure 27. La même carte avec les régulateurs analogiques s’installe.

Parfois il y aura bruyante suivies par filtrage de régulateurs et régulateurs linéaires de faible bruit pour le circuit analogique de commutation. Pensée semblable est employée pour décider où sont placés les régulateurs de commutation bruyants, toujours vu où les courants seront écoule.
Une autre situation que les concepteurs de niveau carte plus en plus de rencontrer est l’intégrité du signal de signaux haute fréquence. Fréquences obtenir plus haut dans la gamme GHz, nous trouvons la diaphonie entre les traces qui s’exécutent proches et parallèles les uns aux autres. Cela rend les choses plus compliquées. Comme nous l’avons appris plus tôt, dans le cas simple d’une seule trace sur un plan de masse et comme on le voit dans la simulation du Dr Archambeault signaux 1MHz (Figure 12), les courants de retour ne sont pas contenus dans la zone située directement sous les traces de signal, mais sont beaucoup plus larges. Il est facile de voir comment fermer les traces parallèles auront leurs courants de retour forme-t-on. Comme les fréquences augmentent et les traces deviennent un pourcentage plus important d’une longueur d’onde, les signaux sont plus susceptibles de corrompre chaque other.5
Conclusion : faites Attention à où le courant circule
Beaucoup de problèmes avec la conception de circuits imprimés mixtes peut être évités en suivant ces simples conseils : faites attention à où le courant circule. Pour la plupart des cas, tout ce que nous avons à faire est n’oubliez pas les deux principes de base: DC et le débit des basses fréquences pour la plupart dans la ligne droite chemin de moindre résistance entre la source et la charge ; et les signaux de haute fréquence suivent le chemin de moindre impédance, qui relève directement de la trace du signal. Flux entre les deux fréquences par les deux chemins et entre les deux chemins.
L’idée d’utiliser les coupes pour empêcher toute interaction entre différents circuits est le plus souvent inutile, tant que nous plaçons judicieusement composants et Itinéraire traces d’empêcher ceci de se produire. Parfois, une coupe de plan au sol est nécessaire parce que nous ne sommes pas toujours libres de choisir où les composants sont placés. Encore une fois, placez la coupe avec sagesse, compte tenu de tous les flux actuels. Nous devons également nous rappeler qu’aucun signal ne devrait jamais croiser une coupe sur n’importe quel calque.
Maintenez où ces satanés électrons souhaitez transmettre et vous rendra votre travail beaucoup plus facile. Enfin, n’oubliez pas que, « alors que vous pouvez toujours faire confiance à votre mère, vous ne devriez jamais confiance votre ‘terrain’. »6
Citations
Dans un monde idéal, ce serait tout ce que nous aurions besoin de comprendre. Le monde idéal n’existe pas ou, du moins, celle dont nous traitons semble ne pas idéal.
Ott, les Henry W., les techniques de compatibilité électromagnétique, les John Wiley et les fils, Hoboken, NJ, 2009. p 393.
Archambeault, Bruce, bulletin de la société EMC ® IEEE, automne 2008, N° 219, « partie II : résistive vs Inductive voies retour de courant, “pp 81-83.
Ott, p 392
Ce sujet extrêmement important est abordée dans cet article, mais est bien couvert dans les références et beaucoup d’autres livres sur l’intégrité du signal.
Brokaw, Paul, “Guide de l’utilisateur d’amplificateur de l’IC de découplage, mise à la terre et rendre les choses aller juste pour un changement,” note d’application AN-202 de Analog Devices.
Références
Note d’application 4636, « Eviter de PC-Layout ‘Pièges’ ISM-RF produits. »
Johnson, Howard W., Ph.d. et Graham, Martin, Ph.d., Design numérique à grande vitesse: A Handbook of noir selle magique, Prentice-Hall, Upper River, NJ, 1993.
Ott, les Henry W., les techniques de compatibilité électromagnétique, les John Wiley et les fils, Hoboken, NJ, 2009.

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