Avion à réaction fractionné traversant une trace


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La plupart des sources sur Internet discutent du routage des signaux sur un plan de puissance divisé et de la façon de le faire correctement. La principale solution ici est de créer un court chemin de retour courant. Je me demande si l'acheminement de signaux sur un plan d'alimentation divisé (et non sur un plan de masse) aura un effet notable sur l'intégrité du signal et si je devrais prendre des mesures.

Ma situation:

PCB à 4 couches:

  • Couche supérieure: signal
  • Plan interne: masse divisée (analogique / numérique)
  • Plan interne: plan d'alimentation divisé (3,3 V numérique et 3,3 V analogique sont pertinents dans ce cas)
  • Couche inférieure: signal

J'achemine quelques signaux d'horloge dans la couche inférieure à partir de la section numérique vers la section analogique. Les signaux traverseront le plan de puissance divisé entre la section numérique et analogique (l'écart est de 0,5 mm de large). Je fournirai un chemin de retour de courant solide sur le plan de masse (pont entre numérique et analogique) afin que les courants de retour ne soient pas un problème.

Le signal d'horloge est juste au-dessus de 12 MHz, les traces ont une largeur de 0,2 mm et une longueur maximale de 13,4 cm. Les traces sont terminées par une résistance série.


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Bien que la réponse de David Kessner soit fantastique, pour des conseils plus détaillés, vous pouvez consulter les articles suivants de Keith Armstrong, inscription gratuite requise et son livre, EMC for Printed Circuit Boards par Keith Armstrong
Martin

Réponses:


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La réponse rapide:

Tout signal traversant une division du plan de puissance OU au sol est mauvais. Plus la vitesse de commutation est élevée (et plus les fronts du signal sont rapides), plus les effets seront mauvais.

La réponse longue:

Lorsque vous dites: «Je fournirai un chemin de retour de courant solide sur le plan de masse (pont entre numérique et analogique) afin que les courants de retour ne soient pas un problème», soit vous ne comprenez pas les problèmes, soit je n'ai pas compris votre déclaration. La raison pour laquelle je dis cela est que vous ne pouvez pas avoir un "chemin de retour de courant solide" et avoir toujours un plan divisé. Il doit y avoir de la non-solidité là-dedans.

Les courants de retour circuleront sur la puissance OU le plan de masse le plus proche du signal. Donc, dans votre cas, si votre signal est sur la couche supérieure, les courants de retour seront sur votre couche au sol. Mais si votre signal est sur la couche inférieure, les courants de retour seront sur la couche de puissance. Pour la plupart des signaux à vitesse moyenne à élevée, le courant de retour suivra la trace du signal et ne prendra pas le chemin le plus court. En d'autres termes, les courants de retour tenteront de minimiser la "zone de boucle".

Si votre signal bascule de haut en bas (ou vice versa), les courants de retour commutent également, passant par un capuchon de découplage. C'est pourquoi il est important de saupoudrer les capuchons de découplage sur tout le PCB, même lorsqu'il est trop éloigné d'une puce pour faire une différence de puissance.

Minimiser la zone de boucle est essentiel pour l'intégrité du signal, minimiser les interférences électromagnétiques et réduire les effets des décharges électrostatiques.

Si votre signal traverse une division du plan puissance / masse, les courants de retour sont obligés de faire un détour. Dans certains cas, ce détour peut augmenter la zone de boucle de 2x ou même 10x! Le moyen le plus simple et le meilleur pour éviter cela est de ne pas faire passer un signal sur une division.

Certaines cartes ont des plans analogiques et numériques mixtes, ou sur certains systèmes ont plusieurs rails d'alimentation. Voici une liste de choses qui pourraient aider dans ces circonstances:

  1. Pour des choses comme les horloges ou les lignes de données actives, vous ne voulez vraiment pas traverser un fractionnement. Un routage de PCB créatif est la meilleure solution, bien que parfois vous ayez simplement à combiner un plan analogique / numérique au lieu de le diviser.

  2. Pour les signaux à faible vitesse, ou les signaux qui sont principalement DC, vous pouvez traverser une division, mais soyez prudent et sélectif à ce sujet. Si vous le pouvez, ralentissez le débit à l'aide d'une résistance et peut-être d'un capuchon. Habituellement, la résistance comblerait physiquement la séparation.

  3. Des éléments tels que des résistances de 0 ohm ou des capuchons peuvent être utilisés pour fournir un chemin de retour de signal entre deux plans. Par exemple, si un signal saute le split, l'ajout d'un plafond entre les deux plans à proximité du signal peut aider. Mais attention, si cela n'est pas bien fait, cela pourrait annuler les effets positifs d'une séparation en premier lieu (IE, empêchant le bruit numérique d'aller dans le plan analogique). La bonne chose à propos de l'utilisation de bouchons ou de résistances de 0 ohm pour cela est qu'il vous permet de jouer avec la conception après la fabrication du PCB. Vous pouvez toujours remplir ou décoller des pièces pour voir ce qui se passe.

Bien que de nombreux modèles de PCB impliquent une sorte de compromis, essayez de ne pas faire de compromis à moins que vous ne deviez absolument le faire. Vous aurez moins de maux de tête et perdrez moins de cheveux en faisant cela.

Je dois également souligner que j'ai complètement ignoré la question des changements d'impédance dus à la séparation, et ce que cela signifierait. Bien qu'important, ce n'est pas aussi important que de minimiser la zone de boucle et d'autres choses. Et comprendre la zone de boucle est beaucoup plus facile que de comprendre comment les changements d'impédance affecteront l'intégrité du signal.


Si vous devez absolument utiliser un capuchon pour "assembler" des plans divisés, assurez-vous de fixer le capuchon de chaque côté de l'avion. Les ingénieurs ont la mauvaise habitude de supposer qu'une jambe d'un capuchon est toujours attachée à GND et l'autre à un VCC, alors qu'en réalité vous connecteriez les deux côtés à GND ou les deux côtés à VCC, selon le plan que vous cousez .
ajs410

Je supposais que le courant de retour passerait par le chemin de terre le plus proche / court-circuité et pas nécessairement l'avion de puissance qui semble être faux
Bianco Zandbergen

@Bianco, il suivra tout chemin minimisant l'inductance. Ce que nous appelons puissance est toujours une plaque de méta maintenue à une tension constante et formera le chemin de retour. En effet, sur votre puce, il devrait y avoir des bouchons de découplage, le signal peut les utiliser pour "compléter" le circuit si nécessaire. Souvent, vous commutez également un signal d'alimentation, auquel cas les capuchons ne seront pas nécessaires.
Kortuk

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Je dois bousculer la sagesse conventionnelle. Au moins pour les cartes RF que j'ai faites, j'ai trouvé que les performances sont améliorées en n'ayant pas de mise à la terre analogique et numérique. Au lieu de cela, utiliser un plan de masse solide et effectuer des coulées de masse pour conserver une faible inductance / faible résistance à un seul nœud de masse unifié a mieux fonctionné pour les types de produits que j'ai fabriqués, principalement de petite taille (portable) et RF lourds (récepteurs et émetteurs dans la gamme 500 MHz et plus.

Je n'utilise généralement pas d'avions d'alimentation, car il ne faut pas beaucoup de largeur de trace pour laisser tomber toute chute de tension infrarouge dans la plage de microvolts, et je préfère y avoir de la terre.

Juste une autre approche.


Je lis régulièrement des conseils comme celui-ci et je suis d'avis que ceux qui n'obtiennent pas de meilleurs résultats avec un plan fractionné ne le font pas correctement. La conception d'une carte RF haute vitesse est une affaire sérieuse, la conception d'une carte RF haute vitesse avec des motifs analogiques et numériques séparés est une affaire plus sérieuse. C'est une opinion, mais avec une grande pratique de conception et une conception fastidieuse, une carte séparée peut bénéficier de votre système analogique. Ces lignes numériques génèrent tellement de fréquences. Si vous avez du numérique à très faible vitesse, votre numérique n'a pas besoin de se séparer.
Kortuk

Je pense que, comme la plupart de l'ingénierie n'est pas une tâche facile qui a le même espace de solution à chaque fois. C'est pourquoi ils paient bien les ingénieurs.
Kortuk

@ Kortuk-Le double négatif est un peu déroutant. Je suppose que vous dites que si vous le faites correctement, un avion divisé vous donnera de meilleurs résultats? Ce n'est pas mon expérience, mais vous avez raison de dire qu'il n'y a pas toujours le même espace de solution, ce qui est peut-être le plus gros point! Vous devez commencer par un bon plan d'étage, séparer autant que possible les alimentations analogiques, numériques et électriques, ou vous nagez en amont ...
rfdave

@Kortuk: Howard Johnson dans "High Speed ​​Digital Design" plaide fortement en faveur d'un seul avion au sol.
darron

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On pourrait se demander - pourquoi un signal d'horloge entre-t-il dans la région analogique? Peut-être avez-vous besoin de gerrymander vos avions pour apporter du terrain numérique aux côtés numériques de vos DAC / ADC (je suppose que 'ce qui se passe ici.)


Ce sont en effet les signaux d'horloge des ADC. Les entrées de l'oscillateur à cristal résident sur la partie analogique de la puce. J'ai choisi de ne pas utiliser de cristal externe mais de fournir un signal d'horloge externe. Ce signal est généré de manière centrale dans la section numérique et distribué sur toute la carte via un tampon.
Bianco Zandbergen

@Bianco, cela ressemble à la source d'un grand nombre de problèmes de bruit. Les horloges haute fréquence sont le diable dans les détails.
Kortuk

Je retravaille maintenant ma conception pour utiliser plusieurs sources d'horloge au lieu d'une source centrale. Je veux éviter les moqueries inutiles avec le diable.
Bianco Zandbergen

Outre le signal d'horloge, vos lignes de données ADC devront également être connectées - de nombreux ADC sont conçus pour avoir des DGND et AGND séparés, et pour séparer les broches numériques de l'analogique - vous pouvez ensuite diviser les plans de masse juste sous les circuits intégrés. (voir analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-031.pdf figure 8) Cette séparation n'existe-t-elle pas dans vos ADC?
Toybuilder

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Les horloges ne doivent pas passer par des vias. Il y a un prix d'inductance et de capacité que vous payez lorsque vous utilisez des vias et à mesure que votre fréquence d'horloge augmente, cela finira par vous mordre. Il force également les courants de retour de l'horloge à travers un capuchon de découplage. Il est vraiment préférable de garder l’horloge sur une seule couche.

Ceci s'ajoute aux conseils ci-dessus.


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Cela dépend vraiment du conseil d'administration. Pour un PCB à 4 couches, vous avez absolument raison. Pour les planches de plus de 4 couches, il pourrait être préférable de placer vos horloges sur une couche intérieure (entre les plans d'alimentation / de masse). S'il y a une couche de signal entre le haut et le premier plan, l'impédance des traces sur le dessus sera terrible, donc mettre l'horloge sur une couche différente pourrait être un plus. Et enfin, pour les BGA, vous ne pouvez souvent pas déployer le signal sans passer par une couche interne - auquel cas vous n'avez pas le choix. Il aide à mettre un capuchon près de l'horloge via, pour réduire les courants de boucle.

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En fonction de la vitesse de l'horloge et de son routage, je m'attendrais à ce que vous puissiez bénéficier de le faire passer à travers un appareil à la frontière des deux plans, dont l'entrée est relative au plan numérique et dont la sortie est relative à le plan analogique. Si l'horloge est utilisée à de nombreuses fins, vous pouvez également la placer là-bas afin que seules les impulsions d'horloge qui étaient réellement pertinentes pour l'ADC traversent la frontière.


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Le routage de votre horloge sur des plans de puissance séparés aura un impact négatif. Comme certains l'ont mentionné, il est préférable d'utiliser un plan de masse solide et de partitionner votre routage analogique et numérique pour les garder isolés. Je serais préoccupé par EMI avec votre horloge passant sur un plan divisé (ressemble à une antenne à fente) et vous voudrez peut-être envisager de passer de la terminaison série au parallèle pour votre ligne d'horloge.

Je ne dis pas qu'il n'est pas possible de traverser des avions divisés dans ce type de configuration, mais vous devez faire attention et comprendre qu'il y aura un risque que vous ne puissiez pas facilement quantifier.

Si vous souhaitez conserver votre disposition telle qu'elle est, j'aimerais que certaines notes d'application par les gars de l'ADC comme Analog Devices (ou votre puce de fournisseur ADC) voient quelles recommandations ils ont pour faire ce type de disposition de plan divisé.


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Malheureusement, les champs électriques pousseront les électrons à explorer TOUS les chemins de retour possibles, proportionnels à la conductance (susceptance, pour les signaux AC).

Oui, certains chemins seront préférés en raison de leur impédance plus faible. Mais certains électrons emprunteront encore d'autres voies, car ces autres voies existent.

À des fréquences bien supérieures à SkinFrequency (5 MHz pour 35 microns 1 once / pied ^ 2), les électrons n'ont pas le temps de pénétrer la feuille, et (la plupart du temps) restent d'un côté. À 20 MHz, vous avez 2 SkinDepths, soit 2 * 8,9 dB = 18 dB de réduction (près de 10: 1). À 80 MHz, vous avez 4 SkinDepths, soit 4 * 8,9 dB = 36 dB de réduction (près de 180: 1). À 320 MHz (peut-être des bords d'une nanoseconde), vous avez 8 profondeurs de peau ou 8 * 8,9 dB = 72 dB de réduction (plus de 30 000: 1).

Notez qu'il y a TOUJOURS UN MOUVEMENT d'électrons à travers la feuille, sur le côté opposé à votre trace d'agresseur. Il y a toujours une chute I * R dans ce côté "calme" de l'avion.

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