La sfida della messa a terra

Altium Designer ti offre la varietà di metodi di cui hai bisogno per risolvere tutte le diverse sfide di messa a terra in tutti i tipi di progetto.

INTRODUZIONE

La messa a terra si è dimostrata una delle maggiori sfide nel moderno design della messa a terra delle Schede a Circuito Stampato PCB. I circuiti continuano a diventare più complessi nel tempo, man mano che le nuove tecnologie li rendono più piccoli, e continuiamo a fare la transizione dall'analogico al digitale. E questi dispositivi più piccoli, più intelligenti e più connessi stanno presentando una varietà di sfide crescenti quando si tratta di mettere a terra correttamente i loro circuiti. E questa sfida non promette di diventare più facile nel futuro prevedibile. Sfortunatamente, non esiste un manuale in cui possiamo cercare come risolvere la miriade di sfide che potremmo affrontare nella messa a terra. Se ci fosse, potremmo semplicemente tenerlo a portata di mano durante il processo di progettazione e non preoccuparci. Tuttavia, invece, dobbiamo affrontare una serie di compiti piccoli e apparentemente insignificanti nel processo di messa a terra, con la consapevolezza che qualsiasi passo falso può causare il fallimento del design e la necessità di riprogettarlo. Di conseguenza, si finisce per superare il budget e essere in ritardo sulla tabella di marcia, poiché il Tempo di Immissione sul Mercato aumenta, e i tuoi concorrenti hanno più opportunità di rilasciare la loro versione del prodotto prima di te. Tutto questo e una serie di altri problemi possono derivare dalle sfide della messa a terra. Quindi, come affrontare queste sfide ed eliminare gli errori? Vediamolo.

I MONDI DIGITALE E ANALOGICO SI SONO GIÀ FUSI

Abbiamo menzionato in precedenza la "transizione" dall'analogico al digitale, ma in realtà si tratta di un termine improprio. Infatti, i mondi analogico e digitale si stanno fondendo insieme, rendendo la messa a terra un problema sia per i tipi di progetti, a volte simultaneamente.

METODI PER UNA CORRETTA MESSA A TERRA

Cosa significa questo per il tuo processo di progettazione? Significa che devi prendere il controllo delle tensioni di ritorno del segnale ed essere alla ricerca di segnali di terra spurii che possono ridurre le prestazioni. Questi possono verificarsi a causa di correnti comuni, accoppiamento di segnali (sia interni che esterni), ecc. Con le tecniche giuste, puoi minimizzare quel rumore e liberarti della maggior parte delle tensioni parassite.

Questo ci porta direttamente alla nostra discussione su un ambiente misto, analogico/digitale. Gli IC a segnale misto sono un esempio perfetto, avendo sia porte digitali che analogiche, il che aggiunge sfide extra alla messa a terra. Per rendere le cose ancora più sfidanti, alcuni IC a segnale misto hanno correnti digitali relativamente basse, mentre altri ne hanno di significativamente più alte. Pertanto, questi due tipi hanno esigenze molto diverse in termini di messa a terra ottimale e devono essere trattati diversamente.

Inoltre, ciò che funziona in una gamma di frequenze non funziona sempre in un'altra. La chiave è riconoscere come fluisce la corrente. Per avere un quadro più chiaro dell'argomento, parliamo ora un po' delle filosofie generali che esistono quando si tratta di metodi di messa a terra in dispositivi a segnale misto. Esistono diversi metodi comunemente utilizzati.

1) Messa a Terra a Stella:

La teoria della messa a terra a stella fa riferimento a tutti i segnali verso un unico punto di terra. L'elemento chiave è il singolo punto "stella", da cui tutte le rispettive tensioni sono misurate. Concentrarsi su un singolo punto lascia senza definizione il terreno che altrimenti causerebbe valori incorretti per la tua misurazione. Sfortunatamente, mentre questo metodo funziona bene sulla carta, può spesso essere un po' difficile da mettere in pratica in uno scenario reale.

Topologia di Messa a Terra a Stella

2) Utilizzo di Piani per la Schermatura:

Legenda Stack di Strati

Nella maggior parte dei casi, l'uso dei piani di massa inizia con un singolo strato in una scheda multistrato, o il fondo di una Scheda a Circuito Stampato a doppia faccia, che è completamente realizzata in rame. Poiché la resistenza del lato rivestito è il più bassa possibile, ciò lo rende uno schermo perfetto, consentendo allo strato di essere utilizzato per la messa a terra. Poiché è anche distribuito sull'intera dimensione dello strato, offre l'induzione più bassa possibile, così come la migliore conduzione possibile, in termini di minimizzazione delle tensioni di terra spurie differenti.

Possiamo anche includere piani di tensione. Funzionano sullo stesso principio, inondando completamente lo strato e avendo il vantaggio di un conduttore a bassissima impedenza. Questo è poi dedicato a ciascun piano per tensione di sistema, in modo che un sistema possa avere più di un piano. Ancora una volta, questo suona bene sulla carta, ma non è sempre la migliore soluzione nella pratica. Il piano stesso ha ancora una resistenza residua e un'induttanza. In alcune circostanze, ciò può essere sufficiente a impedire al circuito di funzionare nel modo previsto. Specialmente se iniettiamo correnti molto elevate in un piano, può causare una caduta di tensione che interferisce con la funzione del circuito. Un altro vantaggio dei piani di massa è la possibilità di utilizzare tecniche microstrip o stripline controllate per impedenza, per l'uso di segnali analogici o digitali ad alta velocità.

3) Separare la Masse Analogiche e Digitali:

È una verità universalmente riconosciuta che i circuiti digitali sono molto più rumorosi degli analogici, in particolare i circuiti logici come TTL o CMOS. I circuiti logici spesso utilizzano solo poche centinaia di millivolt, il che li rende quasi immuni agli ambienti rumorosi. Tuttavia, generano anche molto rumore proprio.

D'altra parte, gli analogici sono molto più vulnerabili ai rumori esterni, ma non ne generano molto di loro. Questo significa che quando si combinano circuiti analogici e digitali, le prestazioni degli analogici possono essere facilmente corrotte dal rumore digitale, a meno che i due non siano separati.

Quando si includono ulteriormente componenti come RAM, ventole e altri dispositivi ad alta corrente, improvvisamente non è più accettabile far funzionare i sistemi in un ambiente rumoroso senza un'adeguata schermatura.

La soluzione è mantenere uniti il terra analogico e digitale in un unico punto del sistema, e riferire tutti i segnali a un potenziale comune, simile al sistema a punto stella ma mantenendo un'adeguata schermatura. Il punto singolo deve essere scelto con saggezza poiché la sua posizione può influenzare notevolmente l'intero circuito. Nella maggior parte dei casi, posizionarlo vicino all'alimentatore darà i migliori risultati. Pertanto, un'analisi della corrente in movimento è spesso utile, per fornire una panoramica migliore del progetto.

Segnale Rumoroso

RIASSUMIAMO

Quindi, tra tutti i metodi che abbiamo discusso, nessuno offre una soluzione efficace al 100% per ogni progetto. Quindi, cosa puoi fare? Considera attentamente le tue opzioni per ogni progetto e determina quale soluzione funzionerà meglio, basandoti sulle caratteristiche del design. Specialmente quando si lavora con dispositivi a segnale misto, è essenziale avere a disposizione un sistema che possa supportare qualsiasi tecnologia tu debba utilizzare e che ti aiuti nell'implementare una messa a terra adeguata che offra i meccanismi di controllo appropriati, in base al tuo ambiente di progettazione specifico.

COME POSSIAMO AIUTARTI

Abbiamo visto che esistono diversi metodi per realizzare una messa a terra, così come l'importanza di controllare i metodi di analisi. Il problema è affrontare tutte queste questioni con un unico strumento. Tuttavia, Altium Designer offre esattamente questo..

Utilizzando i nostri vari plugin e funzionalità, come i Net-Ties, possiamo collegare diversi segnali in un unico punto per creare una messa a terra a stella. I piani sono direttamente implementati nel nostro stack di layer e pronti all'uso immediato. Lo strumento offre anche l'opzione di utilizzare piani divisi e definire lo stile di connessione in un ambiente veloce e facile da usare. Il rame intelligente, noto come Poligoni, può essere utilizzato per l'inondazione facile di aree definite. Supporta anche tecnologie tratteggiate che sono regolabili con un singolo clic.

Con il supporto tecnologico aggiuntivo per varie funzionalità di analisi attraverso il nostro sistema di Plugin, sei sempre un passo avanti al problema e pronto ad affrontare qualsiasi sfida di messa a terra che potrebbe presentarsi.