O Desafio do Aterramento

O Altium Designer oferece a você uma variedade de métodos necessários para resolver todos os diferentes desafios de aterramento em todos os tipos de design.

INTRODUÇÃO

Aterramento tem se provado ser um dos maiores desafios no moderno Projeto de Aterramento de Placas de Circuito Impresso PCB. Os circuitos continuam a se tornar mais complexos ao longo do tempo, à medida que novas tecnologias os tornam menores, e continuamos a fazer a transição do analógico para o digital. E esses dispositivos menores, mais inteligentes e mais conectados estão apresentando uma variedade de desafios crescentes quando se trata de aterrar seus circuitos adequadamente. E esse desafio não promete ficar mais fácil no futuro previsível. Infelizmente, não há um manual onde possamos consultar como resolver a miríade de desafios que podemos enfrentar no aterramento. Se houvesse, poderíamos simplesmente mantê-lo à mão durante o processo de design e não nos preocupar. No entanto, em vez disso, temos que passar por uma série de tarefas pequenas e aparentemente insignificantes no processo de aterramento, com o conhecimento de que qualquer erro pode fazer com que o design falhe e precise ser redesenhado. Como resultado, você acaba ultrapassando o orçamento e atrasando o cronograma, à medida que seu Tempo de Mercado aumenta, e seus concorrentes têm mais oportunidade de lançar a versão do produto antes de você lançar a sua. Todos esses e outros problemas podem resultar de desafios de aterramento. Então, como você enfrenta esses desafios e elimina erros? Vamos dar uma olhada.

OS MUNDOS DIGITAL E ANALÓGICO JÁ SE FUSIONARAM

Mencionamos a "transição" anteriormente de analógico para digital, mas isso é na verdade um tanto quanto impreciso. De fato, os mundos analógico e digital estão se fundindo, tornando o aterramento um problema tanto para tipos de projetos, às vezes simultaneamente.

MÉTODOS PARA UM ATERRAMENTO ADEQUADO

Então, o que isso significa para o seu processo de design? Significa que você precisa tomar controle das voltagens de retorno de sinal e estar atento a sinais de aterramento espúrios que podem diminuir o desempenho. Isso pode ocorrer devido a correntes comuns, acoplamento de sinal (tanto interno quanto externo), etc. Com as técnicas corretas, você pode minimizar esse ruído e se livrar da maioria das voltagens parasitas.

Isso nos leva diretamente à nossa discussão sobre um ambiente de sinal misto, analógico/digital. Circuitos integrados de sinal misto são um exemplo perfeito, tendo portas digitais e analógicas, o que adiciona desafios extras ao aterramento. Para tornar as coisas ainda mais desafiadoras, alguns circuitos integrados de sinal misto têm correntes digitais relativamente baixas, enquanto outros têm correntes significativamente mais altas. Portanto, esses dois tipos têm necessidades muito diferentes em termos de aterramento ótimo e devem ser tratados de maneira diferente.

Além disso, o que funciona em uma faixa de frequência nem sempre funciona em outra. A chave é reconhecer como a corrente flui. Para obter uma imagem mais clara do tópico, vamos falar um pouco agora sobre algumas das filosofias gerais que existem quando se trata de métodos de aterramento em dispositivos de sinal misto. Existem vários métodos diferentes que são comumente usados.

1) Aterramento Estrela:

A teoria do aterramento estrela refere todos os sinais a um único ponto de terra. O elemento chave é o ponto “estrela” único, a partir do qual todas as respectivas tensões são medidas. Focar em um único ponto deixa sem definição o terra que, de outra forma, causaria valores incorretos para sua medição. Infelizmente, embora este método funcione bem no papel, muitas vezes pode ser um pouco difícil de colocar em prática em um cenário do mundo real.

Topologia de Aterramento Estrela

2) Usando Planos para Blindagem:

Legenda da Pilha de Camadas

Na maioria dos casos, o uso de planos de terra começa com uma única camada em uma placa multicamada, ou na parte inferior de uma Placa de Circuito Impresso de dois lados, que é completamente feita de cobre. Como a resistência do lado coberto é a mais baixa possível, ela faz um escudo perfeito, permitindo que a camada seja usada para aterramento. Como também é espalhada por todo o tamanho da camada, ela oferece a menor indução possível, bem como a melhor condução possível, em termos de minimizar tensões espúrias de terra diferentes.

Também podemos incluir planos de tensão. Eles funcionam com o mesmo princípio, inundando a camada completa e tendo a vantagem de um condutor de muito baixa impedância. Isso é então dedicado a cada plano por tensão do sistema, de modo que um sistema pode ter mais de um plano. Novamente, isso parece bom no papel, mas nem sempre é a melhor solução na prática. O próprio plano ainda possui uma resistência residual e indutância. Em algumas circunstâncias, isso pode ser suficiente para impedir que o circuito funcione da maneira esperada. Especialmente se injetarmos correntes muito altas em um plano, isso pode causar uma queda de tensão que interfere no funcionamento do circuito. Outra vantagem dos planos de terra é a possibilidade de usar técnicas de microstrip ou stripline controladas por impedância, para o uso de sinais analógicos ou digitais de alta velocidade.

3) Separando Terra Analógico Digital:

É uma verdade universalmente reconhecida que circuitos digitais são muito mais ruidosos que os analógicos--particularmente circuitos lógicos como TTL ou CMOS. Circuitos lógicos muitas vezes usam apenas algumas centenas de milivolts, o que os torna quase imunes a ambientes ruidosos. No entanto, eles também criam muito do seu próprio ruído.

Por outro lado, os circuitos analógicos são muito mais vulneráveis a interferências externas, mas não geram muita interferência própria. Isso significa que, ao combinar circuitos analógicos e digitais, o desempenho dos analógicos pode ser facilmente corrompido pelo ruído digital, a menos que os dois estejam separados.

Quando você inclui ainda componentes como RAM, ventiladores e outros dispositivos de alta corrente, de repente, já não é adequado operar seus sistemas em um ambiente ruidoso sem a devida blindagem.

A solução é manter o terra analógico e digital unidos em um único ponto no seu sistema, e referir todos os sinais a um potencial comum, similar ao sistema de ponto estrela, mas mantendo a devida blindagem. O ponto único precisa ser escolhido com sabedoria, pois a localização pode influenciar bastante no circuito completo. Na maioria dos casos, localizá-lo próximo à fonte de alimentação trará os melhores resultados. Portanto, uma análise da corrente fluindo é frequentemente útil, para fornecer uma visão geral melhor do design.

Sinal Ruidoso

VAMOS RESUMIR

Então, de todos os métodos que discutimos, nenhum deles oferece uma solução 100% eficaz para cada projeto. Então, o que você pode fazer? Considere suas opções cuidadosamente para cada projeto e determine qual solução funcionará melhor, com base nas características do design. Especialmente ao trabalhar com dispositivos de sinal misto, é essencial ter um sistema à mão, que possa suportar qualquer tecnologia que você precise usar, e ajudá-lo na implementação de um aterramento adequado que ofereça os mecanismos de controle apropriados, com base no seu ambiente de design dado.

COMO PODEMOS AJUDÁ-LO

Vimos que existem vários métodos em vigor para como o aterramento pode ser realizado, bem como a importância de controlar métodos de análise. O problema é abordar todas essas questões em uma única ferramenta. No entanto, Altium Designer oferece exatamente isso..

Usando nossos diversos plugins e recursos, como Net-Ties, podemos conectar vários sinais diferentes em um único lugar para criar um aterramento em estrela. Planos são implementados diretamente em nosso empilhamento de camadas e prontos para uso imediato. A ferramenta também oferece a opção de usar planos divididos e definir o estilo de conexão de maneira rápida e fácil de usar. Cobre inteligente, conhecido como Polígonos, pode ser usado para o preenchimento fácil de áreas definidas. Ele também suporta tecnologias tracejadas que são ajustáveis com um único clique.

Com suporte tecnológico adicional para várias funcionalidades de análise por meio do nosso sistema de Plugins, você está sempre um passo à frente do problema e pronto para enfrentar quaisquer desafios de aterramento que possam surgir.