Правильный дизайн заземления печатной платы снизит электромагнитные помехи в смешанных сигналах

Некоторые варианты заземления для плат со смешанными сигналами

Вы знаете, что решения по заземлению часто нужно специально адаптировать для смешанных сигнальных печатных плат, но, тем не менее, существует несколько «лучших практик», которые могут помочь вам в этом. В дизайне заземления печатных плат обычно используются три варианта, которые вы захотите применить в своей системе:

• Шинный провод: Для большинства печатных плат, используемых в смешанных сигнальных системах, шинный провод не является хорошим решением. Однако, это обычно вариант, к которому прибегают большинство новых дизайнеров, чтобы определить заземления и сделать соединения. Импеданс возвратного тока шинного провода может быть довольно большим на частотах системы, что создает очень большие петлевые индуктивности, легко принимающие высокочастотные помехи.
• Сетка заземления: Сетка заземления иногда используется в двухслойных печатных платах, которые не имеют достаточно места для полной плоскости заземления печатной платы, но которые не могут принять падения напряжения или большие индуктивности возвратного пути, связанные с шинным проводом. Сетка не обязательно должна быть квадратной, но она должна иметь как можно большую площадь. Большая площадь снизит импеданс сетки и позволит сделать больше соединений дорожек/переходных отверстий, что, в свою очередь, сократит пути возврата тока.
• Земляная плоскость: Обычно лучшим решением для заземления на печатной плате является использование полной земляной плоскости. Это означает, что для реализации дизайна с несколькими слоями сигналов потребуется как минимум четырехслойная плата.

Ни один из этих элементов не определен в схематическом представлении; все они находятся в пустом пространстве вокруг ваших компонентов, и вам нужно будет решить, как реализовать стратегию заземления, когда вы перейдете к размещению на печатной плате.

Реальное заземление не так просто, как на схемах.

Если вы не уверены, что делать, например, с двухслойной платой, ваш лучший выбор - использовать единую земляную плоскость, поскольку это обычно обеспечивает пути возврата тока, которые легче всего проследить в дизайне. Кроме того, полная земляная плоскость будет обеспечивать большую защиту от ЭМИ, чем земляная сетка. Как и в случае с сеткой, необходимо соблюдать осторожность при подключении интегральных схем (ИС) к земляной плоскости печатной платы, чтобы пути возврата тока не пересекались. Как это часто бывает, чем «лучше» решение, тем оно дороже. Если вы экономны, как квакер, может оказаться полезным рассчитать импеданс, связанный с использованием шинного провода или земляной сетки.

Заземление печатных плат на разных частотах

Имея в виду вышеизложенное, что следует делать с различными типами плат и частотами? В таблице ниже приведены некоторые стратегии, которые вы можете использовать в различных диапазонах частот. Обратите внимание, что мы не рассматриваем различные типы сигналов

В этих различных типах конструкций заземления печатных плат мы можем видеть, что земляная плоскость является наиболее универсальным решением. Большая земляная шина также может быть приемлема для обеспечения заземления для множества частот, при условии, что она может обеспечить легкие соединения с сетями. Обратите внимание, что стратегия звездного заземления также может использоваться с шинами, при условии, что различные типы сигналов не должны взаимодействовать с одним и тем же компонентом. Звездное заземление с большими может позволить получить очень низкую индуктивность заземляющих соединений, но вы должны очень осторожно размещать смешанные сигнальные ИС, чтобы предотвратить помехи (см. ниже).

• Узнайте больше о стратегиях заземления и звездных заземлениях на вашей печатной плате

Некоторые смешанные сигнальные конструкции могут использовать две отдельные заземляющие плоскости в попытке разделить аналоговые и цифровые схемы для уменьшения электромагнитных помех (ЭМП). Однако для более общих систем две заземляющие плоскости могут быть объединены, или может использоваться одна заземляющая плоскость печатной платы.

Целью реализации любой из этих стратегий проектирования заземления печатных плат является предотвращение пересечения путей возврата переменного и постоянного тока, что приведет к перекрестным помехам. Это проще всего сделать с помощью сплошной земляной плоскости, расположенной рядом с слоями сигналов, при этом все земляные плоскости соединены между собой через переходные отверстия (виас) к одному и тому же опорному потенциалу. Если в земляной плоскости есть пропуски, например, около вырезов или если PWR/GND смешаны на одном слое, не прокладывайте дорожки через эти пропуски, так как пропуски будут действовать как антенны.

Практические советы для смешанных сигнальных ИС

Как было упомянуто выше, смешанные сигнальные ИС могут вносить сложности в проектирование заземления печатных плат, и примечания к применению этих компонентов иногда могут рекомендовать плохие практики, создающие новые помехи. Различные комбинации требуют разных решений, поэтому вот несколько советов при работе со смешанными сигнальными ИС.

Печатные платы с одной смешанно-сигнальной ИС

Если вы ранее проектировали аудиоцепи, то, возможно, вам знакома концепция звездообразного заземления. При разработке печатной платы, на которой установлен только один смешанный сигнальный микросхема, звездообразное заземление может стать отличным решением. Звездообразное заземление использует одну точку в качестве опоры вместо целого слоя плоскости. Для АЦП/ЦАП, а также некоторых других смешанных сигнальных микросхем, производитель обычно рекомендует соединять контакты AGND и DGND вне микросхемы; это соединение лучше всего реализовать с помощью патча, формирующего звездообразное заземление, или напрямую в земляную плоскость. Если вы используете две отдельные земляные плоскости с одной смешанной сигнальной микросхемой, вы также можете соединить эти две плоскости шасси в этой точке.

Печатные платы с несколькими смешанными сигнальными микросхемами

Если ваша печатная плата использует более одного смешанно-сигнального интегрального схемы (IC), использование звездообразной земли, вероятно, будет непрактичным. Это связано с тем, что вам нужно будет соединить AGND и DGND от каждой IC вместе прямо снаружи каждого корпуса IC, все в точно такой же точке; это просто непрактично, и лучшей практикой является использование единой земляной плоскости для всего. Только в случае, когда каждая из этих IC работает на разных частотах, вы могли бы рассмотреть возможность добавления разрывов для улучшения изоляции, и даже тогда вы должны следовать вышеупомянутому правилу, чтобы не прокладывать маршруты через эти разрывы.

Планирование разводки земли в смешанно-сигнальных системах требует тщательного подхода, поскольку необходимо проверять пути возврата для снижения электромагнитных помех и перекрестных помех. Когда вы будете готовы реализовать дизайн заземления печатной платы в вашем проекте смешанно-сигнальной платы, используйте комплексный набор утилит CAD в Altium Designer. Как только вы будете готовы отправить данные для производства вашему производителю, вы можете легко делиться и сотрудничать над вашими проектами через платформу Altium 365. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.