ฉันควรแบ่งระนาบกราวด์ออกเป็นส่วนอะนาล็อกและดิจิตอลหรือไม่?

ฉันกำลังจะออกแบบ PCB เครื่องแรกของฉันซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการรับปริญญาของฉัน แน่นอนว่าเป็นขั้นตอนแรกฉันพยายามเรียนรู้ให้มากที่สุด ส่วนหนึ่งของงานวิจัยฉันพบบทความ 3 ส่วนนี้ซึ่งชี้ให้เห็นว่ามันไม่จำเป็นและในบางกรณีก็เป็นอันตรายต่อการแยกระนาบพื้นดินเป็นส่วนอะนาล็อกและดิจิตอลซึ่งขัดแย้งกับสิ่งที่ฉันได้เรียนรู้จากศาสตราจารย์ ฉันยังอ่านกระทู้ทั้งหมดในเว็บไซต์นี้ที่เกี่ยวข้องกับระนาบพื้น / เท แม้ว่าส่วนใหญ่เห็นด้วยกับบทความยังมีความคิดเห็นบางอย่างที่สนับสนุนเครื่องบินพื้นดินแยก เช่น

https://electronics.stackexchange.com/a/18255/123162 https://electronics.stackexchange.com/a/103694/123162

ในฐานะที่เป็นสามเณรการออกแบบ PCB ฉันพบว่ามันสับสนและยากที่จะตัดสินใจว่าใครถูกและใช้วิธีไหน ดังนั้นฉันควรแบ่งระนาบพื้นเป็นส่วนอะนาล็อกและดิจิตอลหรือไม่ ฉันหมายถึงการแบ่งทางกายภาพไม่ว่าจะเป็นการตัด PCB หรือมีรูปหลายเหลี่ยมแยกสำหรับ DGND และ AGND (ไม่ได้เชื่อมต่อหรือเชื่อมต่อในจุดเดียว)

บางทีเพื่อให้คุณสามารถให้คำแนะนำซึ่งเหมาะกับ PCB ที่คาดหวังของฉันฉันบอกคุณเกี่ยวกับมัน

PCB จะได้รับการออกแบบในรุ่นฟรีของ Eagle => 2 ชั้น

PCB สำหรับการทดสอบและการวัดที่แม่นยำ (กระแส & แรงดัน) ของแบตเตอรี่ลิเธียม บอร์ดจะต้องควบคุมจาก Raspberry Pi ผ่านอินเตอร์เฟสดิจิตอล (GPIO / SPI (40 kHz)) จะมีตัวแปลงข้อมูล 3 ตัวบนบอร์ด (AD5684R, MAX5318, AD7175-2) และตัวเชื่อมต่อสำหรับโมดูล RTC ที่สร้างไว้ล่วงหน้าในด้านดิจิตอล พลังงานแบบอะนาล็อกมาจากแหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุมภายนอกผ่านตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า LT3042 บนบอร์ด (5.49 V) นอกจากนี้ยังมีการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า LT6655B 5 V ส่วนอะนาล็อกเป็นวงจร DC เป็นหลัก HF จริงๆเท่านั้นคือนาฬิกาต้นแบบภายใน 16 MHz ของ ADC

Digital 3.3 V (ส่วนใหญ่ใช้สำหรับเปิดปิดส่วนต่อประสานดิจิตอล) จะมาจาก Raspberry PI ดังนั้นจะมีการเชื่อมต่อกราวด์ 2 จุด: แหล่งจ่ายไฟภายนอกและอินเตอร์เฟสดิจิตอลของ Raspberry Pi

ในการเชื่อมต่อนี้คำถามอื่น: อ้างอิงถึงรูปที่ 3ฉันจะแน่ใจได้อย่างไรว่ากระแสกลับมาจากอินเตอร์เฟสดิจิตอลไหลไปยังการเชื่อมต่อภาคพื้นดินที่ถูกต้อง (จำได้ว่าฉันมี 2 ของพวกเขา)

ข้อกังวลเพิ่มเติม: curcuit การกระจายพลังงานสามารถรบกวนการวัดที่ละเอียดอ่อนได้หรือไม่? ฉันกำลังแยกพวกมันออกจากกันโดยการกำหนดเส้นทางพลังงานที่ชั้นล่าง แต่นั่นไม่ใช่ความคิดที่ดีอีกต่อไปในกรณีที่เครื่องบินภาคพื้นดินเสาหิน

และในขณะที่ฉันยังถามอยู่: สมมติว่าระนาบกราวน์เสาหินมากขึ้นหรือน้อยลงที่ด้านล่างและชั้นสัญญาณ / ส่วนประกอบด้านบนวิธีที่ดีที่สุดในการเชื่อมต่อด้านลบของตัวเก็บประจุบายพาสกับระนาบกราวด์คืออะไร?

คุณต้องคิดในแง่ของความต้านทานที่ใช้ร่วมกัน (ไม่ใช่ความต้านทานความต้านทานที่แท้จริง)

พิจารณาชิ้นส่วนของวงจรที่ใช้ GND เป็นข้อมูลอ้างอิง 0V สำหรับจุดประสงค์แอนะล็อกที่ละเอียดอ่อน เห็นได้ชัดว่าคุณต้องการให้แต่ละ "0V อ้างอิง" เหล่านี้มีศักยภาพ "0V" เดียวกัน อย่างไรก็ตามในปัจจุบันที่วิ่งผ่านระนาบ GND จะแนะนำแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดเพิ่มเติมที่ด้านบนของ "0V" ของชิปแต่ละตัว

ตอนนี้วาดแผนผังของ GND ของคุณด้วยกระแสที่ไหลผ่าน

หากคุณไม่ได้แยกระนาบ แต่คุณมีกระแสสูงไหลผ่านเพราะคุณใส่ขั้วต่อเพาเวอร์ทางด้านซ้ายขั้วต่อกำลังทางด้านขวาและบิตอะนาล็อกที่ไวต่อแสงอยู่ตรงกลาง อาจมีปัญหาเนื่องจากการไหลของกระแสสูงใน GND และการสร้างระดับแรงดันไฟฟ้า

พิจารณาความต้านทาน (เช่นความเหนี่ยวนำไม่ใช่แค่ความต้านทาน) ขึ้นอยู่กับความถี่

ขณะนี้มีวิธีแก้ไขปัญหานี้หลายประการ

• คุณสามารถวางขั้วต่อไฟในสถานที่ที่เหมาะสมกว่า (เช่นกำลังไฟถัดจากกำลังไฟฟ้า) เพื่อไม่ให้กระแสสูงไหลบนระนาบ GND ของคุณ สิ่งนี้ใช้กับลูปปัจจุบันทั้งหมดที่มีกระแสใหญ่เสียงดังหรือกระแส di / dt สูงเช่นลูปภายในของ DCDC หรือลูประหว่างมันกับโหลด (พูดซีพียู) หรือแม้แต่เส้นทางภาคพื้นดินระหว่างหมวกแยก และชิปมันแยกจากกัน

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณรู้ว่าวงเหล่านี้อยู่ที่ไหน! สั่งซื้อด้วยความลำบาก (โดยประมาณ "พื้นที่ * di / dt" สำหรับ AC หรือ "area * I" สำหรับ DC) ตำแหน่งเป็นสิ่งจำเป็น การจัดวางที่ดีด้วยลูปปัจจุบันทำให้การปวดศีรษะน้อยลงมาก

• คุณสามารถใช้แอมพลิฟายเออร์และดิฟเฟอเรนเชียลที่แตกต่างซึ่งไม่สนใจสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไป

นี่เป็นสิ่งจำเป็นถ้าแรงดันไฟฟ้าที่ให้ความรู้สึกตั้งอยู่บนแบ่งกระแสไฟฟ้าด้านสูง ตอนนี้สมมติว่าคุณใช้แอมป์ความรู้สึกปัจจุบันตัวอย่างเช่น อย่าลืมว่าแรงดันไฟฟ้าใดที่อยู่บนพิน "เอาท์พุทอ้างอิง" ของมัน (มักจะติดป้ายชื่อ "GND" ที่ไม่ถูกต้อง) จะถูกเพิ่มไปยังเอาต์พุตโดยตรง ... ดังนั้นอย่าติดแอมป์ความรู้สึกระหว่างมอสเฟตสองตัว เส้นทางย้อนกลับปัจจุบัน

• คุณสามารถแยกระนาบได้ แต่จากนั้นคุณต้องตัดสินใจว่าจะแยกส่วนไหน และ (นี่คือสิ่งที่น่ารังเกียจ) ที่คุณเชื่อมโยงพื้นที่ทั้งสองของคุณเข้าด้วยกันที่ DC (หรือที่ความถี่สูงถ้าคุณใช้ตัวแยก ...

ลองตั้งชื่อพื้นที่ทั้งสองของคุณ AGND และ PGND (อะนาล็อกและพลังงาน) บางคนบอกว่าจะแยกและเข้าร่วม AGND / PGND หรือ AGND / DGND ภายใต้ ADC ซึ่งหมายความว่ากระแสใด ๆ ที่ทำงานระหว่าง AGND และ PGND จะต้องไหลในกราวด์ลิงค์ภายใต้ ADC ตอนนี้ซึ่งเป็นสถานที่ที่แย่ที่สุด

วิธีการแก้ปัญหาที่เหมาะสมเป็นอย่างยิ่งคือ ตำแหน่งเป็นสิ่งจำเป็น ตัวอย่างเช่นคุณวางสิ่งที่มีอำนาจ / มีเสียงดังทางด้านขวาและสิ่งที่ละเอียดอ่อนทางด้านซ้าย คุณวางแคป decoupling ของคุณเพื่อให้กระแสของลูปที่ไหลผ่าน GND นั้นสั้นและอยู่ในตำแหน่งที่ดี จากนั้นเนื่องจากบอร์ดของคุณมีสองโซนที่กำหนดไว้อย่างดีคุณสามารถจำกัดความกว้างของระนาบกราวด์ที่เชื่อมต่อพวกมันเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสสูงจะไม่ทำงานในพื้นดินบิตที่ละเอียดอ่อน

มันเป็นภาพและยากที่จะอธิบายและการเชื่อมต่อของคุณอย่างถูกต้องเป็นสิ่งจำเป็น

บทเรียนเหล่านี้ดี: https://learnemc.com/emc-tutorials

เพียงแค่แนะนำ SLITS เข้าในระนาบ GND อาจพอเพียงเพื่อป้องกันขยะ / พลังงาน / รีเลย์ / มอเตอร์ส่วนใหญ่ออกจากพื้นที่แอนะล็อกที่ละเอียดอ่อน [แก้ไข 9 มิถุนายนแสดงให้เห็นว่าภูมิภาคที่แคบจะบรรลุ 12dB / ตารางการลดทอน แก้ไขมิถุนายน 2019 อย่าลืมกรีดระนาบด้วย (แนะนำโดย barleyman)]

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

เราสามารถคาดเดาอะไรได้บ้างเกี่ยวกับการจัดวางช่องแยกระหว่างจุดเข้าและออกที่ล่วงล้ำ?

^{จำลองวงจรนี้}

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อร่องถูกบุกรุกเป็นกระแส?

^{จำลองวงจรนี้}

เรามีไมโครโวลต์ประมาณ 40 ไมโครเมตรต่อตารางตามขอบล่างของ PCB โดยมีค่า 0.0005 โอห์ม / ตาราง เราสามารถประมาณแรงดันตก I * R ที่เกิดจาก ONE AMPERE ที่ด้านบนขวาของ PCB ตามขอบด้านล่างสุดของ PCB ภายในภูมิภาคอะนาล็อกอย่างง่ายดาย

Slit_Atten = ความยาวของ slit / ความยาวลูปทั้งหมดภายในขอบเขตที่ละเอียดอ่อน

แรงดันไฟฟ้าตกที่ด้านล่างสุด (ต่อตาราง) คือ

แรงดันไฟฟ้าข้ามช่อง * Slit_Atten

คณิตศาสตร์: แบ่งเป็น 4 กำลังสองดังนั้น 4 * 40uV = 160uV

Slit_Atten คือ 4 สี่เหลี่ยม / 20 สี่เหลี่ยม (รอบวงทั้งหมด) = 20%

การลดลงของ per_square I * R คือ 160uV * 20% = 32 uV

สิ่งนี้แสดงค่าของการใช้เฉพาะบริเวณ NARROW ระหว่างดิจิตอล / เสียงและอะนาล็อก

นี่เป็นอีกวิธีในการกรีด

^{จำลองวงจรนี้}

แรงดันไฟฟ้าต่อตารางที่ OpAmps ต้องการความเงียบ GND = 32 uVolts ต่อตาราง ไม่เงียบมาก จะทำอย่างไร?

1) ตัดช่องแยกออกไปอีกในเครื่องบิน ตอนนี้อยู่ที่ 80%, ไปที่ 95% และมีแนวโน้มที่จะได้รับการปรับปรุงในความเงียบ; เรียกใช้ซิมเครื่องเทศและดูวิธีการ

2) ทำให้ช่อง ----- ไม่แคบ ---- แต่ลึกเช่นนี้

^{จำลองวงจรนี้}

เราสามารถคาดเดาอะไรได้บ้างเกี่ยวกับการลดทอนของ "L" ปรากฎว่าเราสามารถคาดการณ์การลดทอน 12 dB ต่อตารางของพื้นที่แคบ เราซูมเข้าและดูสิ่งนี้

^{จำลองวงจรนี้}

กุญแจสำคัญคือการจัดวางเสมอทำอย่างชาญฉลาดและการตั้งค่าอย่างใดอย่างหนึ่งสามารถทำงานได้เช่นนี้ได้รับมันผิดมากและไม่เพียง แต่บอร์ดจะยากมากในการกำหนดเส้นทาง แต่มันยากที่จะได้รับความแม่นยำที่คุณต้องการ

กฎการบินแบบแข็งเมื่อคุณมีสิ่งที่รวดเร็วเกิดขึ้นทุกครั้งที่คุณมีอัตราคมในภูมิภาคไม่กี่ ns (อัตรานาฬิกาไม่สำคัญอัตราขอบทำ) คุณต้องการระนาบทึบภายใต้ภูมิภาคนั้นอย่างน้อยฉันมักทำระนาบทึบ ในต้นแบบแรกทุกครั้งและยุ่งเกี่ยวกับมันในภายหลังหากไม่ได้รับสิ่งที่ฉันต้องการ (โดยทั่วไปฉันไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนมัน)

ในกรณีของคุณเรื่องความแม่นยำของ DC นั้นและโดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้จะทำได้ดีที่สุดกับการตรวจจับความแตกต่าง (ตัดสินใจว่าต้องการให้วัดสองจุดที่คุณต้องการวัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างและวัดแรงดันไฟฟ้านั้น

เพียงเพราะคุณมีระนาบไม่ได้หมายความว่าคุณจำเป็นต้องเชื่อมต่อกับมัน ณ จุดใดก็ได้คุณสามารถตัดสินใจที่จะส่งคืนตัวต้านทานที่มีการต่อสายดินของตัวต้านทานในแอมป์อนุพันธ์ไปยังระนาบที่จุดเดียวกันกับอินพุตขั้นตอนก่อนหน้า ตัวต้านทานแบบแบ่งเพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขาเห็นแรงดันไฟฟ้าเดียวกันบริเวณลำดับชั้นเป็นสิ่งที่ดี แต่กฎการวัดที่แตกต่างกันสำหรับสิ่งนี้

5.49 ดูเหมือนว่าฉันจะมองโลกในแง่ดี abs max ไม่ใช่ที่ที่คุณอยากจะเป็น

Decouplers โดยทั่วไปไปที่เครื่องบินโดยตรง

หากคุณตัดสินใจที่จะแยกเครื่องบินคุณต้องแน่ใจว่ามีการเชื่อมต่ออย่างต่อเนื่องภายใต้พื้นที่ที่เส้นควบคุมผ่านระหว่างทั้งสองนั้นคุณจะไม่เรียกใช้การติดตามใด ๆ บนการแยกในระนาบ

ด้วยความเร็วที่ต่ำอย่าลืมว่าคุณทำได้มากกว่าตัวอย่างและการทำลายล้างนั้นเป็นการขยายความยาวของคำที่มีประสิทธิภาพของคุณ

บางบันทึกเกี่ยวกับเรื่องนี้ ตามที่คนอื่น ๆ ได้ชี้ให้เห็นลูปปัจจุบันไม่ใช่เพื่อนของคุณ คุณควรตระหนักถึงวงจรกำลังแรงสูง / ความเร็วสูงและตำแหน่งที่จ่ายกระแสไฟให้ สิ่งใดก็ตามที่อยู่ระหว่างจุดสองจุดนี้อยู่ในเขตของไฟโดยตรงอย่าใส่ ADC แบบ 16 บิตของคุณระหว่างบูสเตอร์คอนเวอร์เตอร์และ LED พลังงานสูงที่ควบคุมด้วย PWM

การแยกหรือคูน้ำในระนาบภาคพื้นดินอาจเป็นประโยชน์ แต่สิ่งเหล่านี้มีส่วนร่วมอย่างรวดเร็ว สิ่งที่สำคัญที่สุดที่ต้องจำไว้คือไม่เคยข้ามแยกในระนาบด้วยสายสัญญาณความเร็วสูง /ไวต่อแสง สายสัญญาณของคุณจำเป็นต้องมีเส้นทางย้อนกลับในปัจจุบันถัดจากพวกเขา ดังนั้นถ้าคุณสร้างเกือกม้ารอบ ๆ ADC คุณต้องกำหนดเส้นทางสัญญาณทั้งหมดรอบคูเมืองนั้นด้วย หากคุณต้องข้ามแยกอย่างแน่นอนคุณสามารถใช้ตัวเก็บประจุในท้องถิ่นเพื่อเชื่อมโยงระนาบ GND ที่แยกจากกัน แต่จากนั้นคุณจะเอาชนะวัตถุประสงค์ของคูเมืองในอันดับที่ 1 สมมติว่าคุณมีบอร์ดหลายเลเยอร์ แต่มันเจ็บปวดน้อยกว่ามากที่จะไม่ทำ สลับเลเยอร์ก่อนที่จะแยกไปยังระนาบอื่นที่มีระนาบอ้างอิงที่เหมือนกัน NBสิ่งนี้ไม่สามารถใช้ได้กับ DC หรือสัญญาณ / โหลดความถี่ต่ำ พวกเขามีความสุขมากพอที่จะเดินไปตามทางที่มีแนวต้านน้อยที่สุดรอบคูเมือง อย่าลืมว่าคุณต้องจับคู่แยกในระนาบ GND กับแยกจับคู่ในระนาบพาวเวอร์!

ในการทำให้สิ่งนี้ซับซ้อนยิ่งขึ้นสิ่งนี้จะใช้กับระนาบอ้างอิงเช่นระนาบกราวด์ถัดจากเลเยอร์สัญญาณ หากคุณมี 8 เลเยอร์ขึ้นไปมันไม่สำคัญว่าจะมีอะไรอยู่บนระนาบ L2 ถ้าวงจรที่ละเอียดอ่อนของคุณอยู่ที่ L8 คุณสามารถใช้ระนาบพลังงานเป็นข้อมูลอ้างอิงเช่นกัน แต่บ่อยครั้งที่วันนี้คุณมีเครื่องบินพลังงานจำนวนมาก (5V, 3.3V, 1.8V, 1.2V, -5V, อะไรก็ตาม) ดังนั้นวงจรที่กระทำผิดสามารถอ้างถึงระนาบพลังงานเท่านั้น มันมาจาก .. การอ้างอิงระนาบ 1.8V PHY ถึง 3.3V จะไม่ทำงาน เว้นแต่คุณจะรู้คุณให้หมวกเย็บเหล่านั้นอีกครั้งระหว่างระนาบ

ฉันทำวงจร ADC มัลติเพล็กซ์ความเร็วสูงที่ให้ระดับสัญญาณรบกวนเป็นศูนย์ (~ 0.6 ADC ยูนิต) โดยการแยก VCC และ VCCA บวก GND และ AGND แต่ฉันรู้ว่าฉันกำลังทำอะไรอยู่และฉันใช้เวลาทำแผนที่เส้นอะนาล็อกอย่างเคร่งครัดและสร้าง "เกาะ" ของทองแดงที่เกี่ยวข้องในเลเยอร์ถัดไปเป็นต้น เวลาส่วนใหญ่ฉันเพียงแค่ให้พื้นที่ทั้งหมดเข้าด้วยกันและคำนึงถึงลูปปัจจุบัน

เลเยอร์การเปลี่ยนยังนับเป็นการแยกในเครื่องบินดังนั้นคุณควรมี GND ที่ตรงกันผ่านทางบริเวณใกล้เคียงเพื่อให้กระแสการส่งคืนความเร็วสูงไม่จำเป็นต้องออกนอกเส้นทางเพิ่มเติม

Final note : Return current ตามเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุด สำหรับความถี่ต่ำนั่นเป็นเส้นทางทองแดงของแข็งที่สั้นที่สุดซึ่งอาจไม่ติดตามสัญญาณ / กำลังไฟของคุณ สำหรับความถี่ที่สูงขึ้นจะอยู่ติดกับสัญญาณขับขณะที่การแยกเพิ่มความต้านทาน นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องบินข้ามจึงจบลงด้วยน้ำตาขณะที่คุณสร้างความไม่ต่อเนื่องซึ่งส่งผลให้เกิดการสะท้อนความถี่คลื่นวิทยุที่แผ่รังสีการสูญเสียความสมบูรณ์ของสัญญาณฝนกบและอื่น ๆ

คุณสามารถแยกกำลังและพื้นดินออกจากกันได้อย่างสมบูรณ์สำหรับทั้งอะนาล็อกและดิจิตอล ใช้ตัวแปลง DC-DC ที่แยกได้และตัวแยก opto สำหรับส่วนต่อประสานดิจิตอลระหว่างสองตัว