Вызов заземления

Altium Designer предоставляет вам разнообразие методов, необходимых для решения всех возможных задач по заземлению в различных типах проектов.

ВВЕДЕНИЕ

Заземление доказало, что является одной из наибольших проблем в современном дизайне заземления печатных плат PCB. Схемы со временем становятся всё более сложными, поскольку новые технологии делают их меньше, и мы продолжаем переход от аналогового к цифровому. И эти меньшие, более умные, более связанные устройства предоставляют всё больше вызовов, когда речь идет о правильном заземлении их цепей. И эта задача, к сожалению, не обещает стать проще в обозримом будущем. К сожалению, не существует руководства, в котором мы могли бы посмотреть, как решить множество проблем, с которыми мы можем столкнуться при заземлении. Если бы оно было, мы могли бы просто держать его под рукой во время процесса проектирования и не волноваться. Однако вместо этого нам приходится выполнять множество мелких, казалось бы, незначительных задач в процессе заземления, зная, что любая ошибка может привести к неудаче дизайна и необходимости его переработки. В результате вы превышаете бюджет и отстаете по графику, поскольку ваше время выхода на рынок увеличивается, и у ваших конкурентов появляется больше возможностей выпустить свою версию продукта до вас. Все это и множество других проблем могут возникнуть из-за проблем с заземлением. Так как же преодолеть эти вызовы и исключить ошибки? Давайте рассмотрим.

ЦИФРОВОЙ И АНАЛОГОВЫЙ МИРЫ УЖЕ СЛИЛИСЬ

Мы упоминали ранее о "переходе" от аналогового к цифровому, но на самом деле это несколько неверное утверждение. Фактически, аналоговый и цифровой миры сливаются вместе, что делает заземление проблемой как для аналоговых, так и для цифровых конструкций, иногда одновременно.

МЕТОДЫ ПРАВИЛЬНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Что это значит для вашего процесса проектирования? Это означает, что вам нужно контролировать напряжения возврата сигнала и быть настороже по поводу случайных заземляющих сигналов, которые могут снизить производительность. Это может произойти из-за общих токов, связывания сигналов (как внутреннего, так и внешнего) и т.д. Используя правильные методы, вы можете минимизировать этот шум и избавиться от большинства паразитных напряжений.

Это приводит нас непосредственно к обсуждению среды смешанных сигналов, аналоговых/цифровых. ИС смешанных сигналов являются идеальным примером, имея как цифровые, так и аналоговые порты, что добавляет дополнительные сложности к заземлению. Чтобы усложнить задачу, некоторые ИС смешанных сигналов имеют относительно низкие цифровые токи, в то время как другие имеют значительно более высокие. Следовательно, эти два типа имеют очень разные потребности в оптимальном заземлении и должны обрабатываться по-разному.

Кроме того, то, что работает в одном диапазоне частот, не всегда работает в другом. Ключевым моментом является понимание того, как течет ток. Чтобы получить более четкое представление о теме, давайте немного поговорим о некоторых общих философиях, которые существуют, когда речь идет о методах заземления в устройствах смешанных сигналов. Существует несколько различных методов, которые обычно используются.

1) Звездное заземление:

Теория звездного заземления предполагает отсчет всех сигналов от одной единственной точки заземления. Ключевым элементом является единственная точка «звезды», от которой измеряются все соответствующие напряжения. Концентрация на одной точке не оставляет неопределенного заземления, которое в противном случае могло бы вызвать некорректные значения ваших измерений. К сожалению, хотя этот метод хорошо работает на бумаге, на практике в реальных условиях его часто бывает сложно реализовать.

Топология звездного заземления

2) Использование плоскостей для экранирования:

Легенда стека слоев

В большинстве случаев использование заземляющих слоев начинается с одного слоя в многослойной плате или с нижней стороны двусторонней печатной платы, которая полностью изготовлена из меди. Поскольку сопротивление залитой стороны максимально низкое, это создает идеальный экран, позволяя использовать слой для заземления. Так как он также распространяется на всю площадь слоя, он обеспечивает минимально возможную индукцию, а также наилучшую возможную проводимость с точки зрения минимизации нежелательных разностей напряжений заземления.

Мы также можем включить плоскости напряжения. Они работают по тому же принципу, заполняя всю слой и имея преимущество в виде проводника с очень низким импедансом. Затем это посвящается каждой плоскости в соответствии с напряжением системы, так что система может иметь более одной плоскости. Опять же, это звучит хорошо на бумаге, но на практике это не всегда лучшее решение. Сама плоскость все еще имеет остаточное сопротивление и индуктивность. В некоторых случаях это может быть достаточно, чтобы помешать схеме функционировать так, как ожидается. Особенно если мы вводим очень высокие токи в плоскость, это может вызвать падение напряжения, которое мешает функционированию схемы. Другое преимущество заземляющих плоскостей - возможность использования техник микрополосковой или полосковой линии с контролируемым импедансом для использования высокоскоростных аналоговых или цифровых сигналов.

3) Разделение аналоговой и цифровой земли:

Это общепризнанная истина, что цифровые схемы гораздо более шумные, чем аналоговые, особенно логические схемы, такие как TTL или CMOS. Логические схемы часто используют всего несколько сотен милливольт, что делает их почти невосприимчивыми к шумному окружению. Однако они также создают много собственного шума.

Аналоговые устройства, с другой стороны, гораздо более уязвимы к внешним помехам, но сами по себе создают их немного. Это означает, что при объединении аналоговых и цифровых схем, производительность аналогов может быть легко нарушена цифровыми помехами, если только два типа схем не разделены.

Когда вы добавляете компоненты, такие как оперативная память, вентиляторы и другие устройства с высоким потреблением тока, вдруг оказывается, что работа ваших систем в шумной среде без должной защиты уже не так безопасна.

Решение заключается в том, чтобы соединить ваш аналоговый и цифровой земляные контуры в одной точке вашей системы и относить все сигналы к общему потенциалу, аналогично системе звездного соединения, но при этом обеспечивая должную защиту. Точку соединения нужно выбирать с умом, так как местоположение может сильно повлиять на всю схему. В большинстве случаев размещение её рядом с источником питания даст вам лучшие результаты. Поэтому анализ тока, протекающего в системе, часто бывает полезен для лучшего понимания конструкции.

Шумовой Сигнал

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

Итак, из всех методов, которые мы обсудили, ни один из них не предлагает 100% эффективное решение для каждого проекта. Что же делать? Внимательно рассмотрите свои варианты для каждого проекта и определите, какое решение будет работать лучше всего, исходя из характеристик дизайна. Особенно при работе с устройствами смешанных сигналов, крайне важно иметь под рукой систему, которая может поддерживать любую необходимую вам технологию и помочь в реализации правильного заземления, предлагающего соответствующие механизмы управления, исходя из вашего конкретного дизайнерского окружения.

КАК МЫ МОЖЕМ ВАМ ПОМОЧЬ

Мы видели, что существует несколько методов заземления, а также важность контроля методов анализа. Проблема заключается в том, чтобы адресовать все эти вопросы в одном инструменте. Однако Altium Designer предлагает именно это..

Используя наши различные плагины и функции, такие как Net-Ties, мы можем соединить несколько разных сигналов в одном месте для создания звездообразного заземления. Плоскости непосредственно внедрены в наш слой стека и готовы к использованию на лету. Инструмент также предлагает возможность использовать разделенные плоскости и определять стиль соединения в быстрой и удобной среде. Интеллектуальная медь, известная как Полигоны, может использоваться для легкого заполнения определенных областей. Также поддерживаются технологии с штриховкой, которые можно настроить одним кликом.

С дополнительной поддержкой технологий для различных функций анализа через нашу систему плагинов, вы всегда на шаг впереди проблемы и готовы столкнуться с любыми вызовами заземления, которые могут возникнуть на вашем пути.