¿Cuándo utilizar recortes de plano de tierra?

Question

He estado leyendo más sobre técnicas adecuadas de conexión a tierra y el uso de planos de tierra.

Por lo que he leído, los planos de tierra proporcionan una gran capacitancia con las capas adyacentes, una disipación del calor más rápida y reducen la inductancia de tierra.

Lo que más me interesa es la capacitancia parásita que se crea. Según tengo entendido, esto es beneficioso para las líneas de alimentación, pero potencialmente perjudicial para las líneas de señal.

He leído algunas sugerencias sobre dónde colocar planos de tierra sólidos, y me preguntaba si son buenas recomendaciones a seguir y qué constituiría una excepción a estas sugerencias:

1. Mantenga el plano de tierra bajo las trazas/planos de potencia.
2. Retire el plano de tierra de las líneas de señal, en particular de las líneas de alta velocidad o de cualquier línea susceptible a la capacitancia parásita.
3. Utilizar adecuadamente los anillos de protección del suelo: Rodeando las líneas de alta impedancia con un anillo de baja impedancia.
4. Utilice planos de tierra locales (lo mismo vale para las líneas de alimentación) para los circuitos integrados/subsistemas y, a continuación, conecte todas las tierras al plano de tierra global en un punto, preferiblemente cerca del mismo lugar donde se unen la tierra local y las líneas de alimentación locales.
5. Intenta que el plano de tierra sea lo más uniforme/sólido posible.

¿Hay otras sugerencias que deba tener en cuenta al diseñar la toma de tierra/alimentación de una placa de circuito impreso? ¿Es típico diseñar primero el esquema de potencia/tierra, primero el esquema de señal, o se hacen juntos?

También tengo algunas preguntas sobre el #4 y los aviones locales:

1. Imagino que para conectar los planos de tierra locales al plano de tierra global habrá que utilizar vías. He visto sugerencias en las que se utilizan múltiples vías pequeñas (todas aproximadamente en la misma ubicación). ¿Se recomienda esto en lugar de una única vía más grande?
2. ¿Debo mantener los planos globales de tierra/potencia debajo de los planos locales?

Answer 1

2) Recomiendo encarecidamente NO cortar tierra cerca de señales de alta velocidad. La capacitancia parásita realmente no tiene mucho efecto en la electrónica digital. Por lo general, la capacitancia parásita te mata cuando actúa para crear un filtro parásito en la entrada de un amplificador operacional.

De hecho, se recomienda encarecidamente ejecutar las señales de alta velocidad directamente sobre un intacto plano de tierra; esto se denomina " microstrip ". La razón es que la corriente de alta frecuencia sigue el camino de menor inductancia. Con un plano de tierra, este camino será una imagen especular de la traza de la señal. Esto minimiza el tamaño del bucle, lo que a su vez minimiza la EMI radiada.

Un ejemplo muy llamativo de ello puede verse en el sitio web del Dr. Howard Johnson. Véase figuras 8 y 9 para ver un ejemplo de corriente de alta frecuencia que toma el camino de menor inductancia. (Por si no lo sabe, el Dr. Johnson es una autoridad en integridad de la señal, autor del elogiado "High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic")

Es importante tener en cuenta que cualquier corte en el plano de tierra por debajo de una de estas señales digitales de alta velocidad aumentará el tamaño del bucle porque la corriente de retorno debe dar un rodeo alrededor de su recorte, lo que conduce también a un aumento de las emisiones. Lo mejor es tener un plano totalmente ininterrumpido debajo de todas las señales digitales. También es importante tener en cuenta que el plano de potencia es también un plano de referencia al igual que el plano de tierra, y desde una perspectiva de alta frecuencia estos dos planos están conectados a través de condensadores de bypass, por lo que puede considerar una corriente de retorno de alta frecuencia para "saltar" planos cerca de las tapas.

3) Si tienes un buen plano de tierra, no hay prácticamente ninguna razón para utilizar una traza de protección. La excepción sería el amplificador óptico que he mencionado antes, porque puede que hayas cortado la placa de masa por debajo. Pero todavía tienes que preocuparte por la capacitancia parásita de una traza de protección. Una vez más, El Dr. Johnson está aquí para ayudar con bonitas fotos .

4.1) Creo que múltiples vías pequeñas tendrán mejores propiedades de inductancia ya que están en paralelo, frente a una vía grande que ocupa aproximadamente la misma cantidad de espacio. Desgraciadamente no recuerdo lo que leí que me llevó a creer esto. Creo que es porque la inductancia de una vía es inversamente proporcional al radio, pero el área de la vía es directamente proporcional al radio. (fuente: Dr. Johnson de nuevo ) Si el radio de la vía es 2 veces mayor, tendrá la mitad de inductancia pero ocupará 4 veces más superficie.

Answer 2

Tenga cuidado de no definir vagamente la alta frecuencia.

Los efectos de la línea de transmisión, que requieren técnicas de microstrip o stripline, merecen ser considerados cuando la longitud de la línea es igual o superior a 1/100 de la frecuencia más alta de la señal en cuestión (Ulaby). Esto es útil para diseños de microondas. Por ejemplo, una forma de onda de 1 GHz en aire tiene una longitud de 30 cm, pero en FR-4 tiene aproximadamente la mitad (el cuadrado de épsilon r, permitividad relativa, para FR-4 es aproximadamente 4, dependiendo de la composición). Por lo tanto, una traza de unos pocos centímetros de longitud sería definitivamente preocupante para 1GHz.

Para 10 MHz, los efectos de la línea de transmisión apenas se notan. El quinto armónico de 10MHz es 50MHz, y en FR-4 serían unos 150x10^6 m/s / 50x10^6 = 3 metros. Por lo tanto, en un bus de 30 cm de largo se podría experimentar el principio de la distorsión de fase.

La verdadera preocupación es el ruido. Al colocar una traza de anchura suficiente sobre una placa de masa, la energía de la señal se propaga a través del sustrato entre la traza y la placa de masa (Poynting). Y la EMI de otras fuentes no puede entrar.

Las líneas microstrip tienen una impedancia característica que viene determinada por la anchura de la traza y el grosor y material del sustrato; las trazas más finas tienen mayor impedancia característica. La impedancia del aire libre es de 377 ohmios. A medida que la Zo de una traza se aproxima a esta cifra, comienza a radiar. Incluso con un plano de tierra. Por la misma razón, engrosar el sustrato tiene el mismo efecto. Tenga en cuenta que cuando se trabaja en alta frecuencia, la impedancia es clave... terminación, adaptación... un bus suficientemente largo tendrá reflexiones medibles si no está terminado correctamente.

Sin embargo, los diseños densos requieren trazas finas. Así que hay que hacer concesiones.

Answer 3

En lo que respecta a la conexión de los planos de tierra locales al plano de tierra global, es mejor utilizar múltiples vías pequeñas, ya que ayudarán a distribuir la corriente y también se minimiza la tasa de fallos de la placa de circuito impreso, además de proporcionar una mejor disipación del calor.

No hay nada malo en mantener los planos globales de tierra/energía debajo de los planos locales, ya que si observas los diseños de pcb multicapa, es lo que se sigue.

Answer 4

Mantener inalterada la impedancia de la línea microstrip mediante una ranura en el plano de tierra, la ranura debe estar situada al menos a dos anchos de microstrip (si el microstrip se proyecta verticalmente al plano de tierra).

A continuación se muestran varias imágenes de un solver de campo 3D que muestran la distribución del campo eléctrico en el interior del micrsotrip y la densidad de corriente en el plano de tierra. La conclusión casi no hay campo ni corriente a dos anchos del micrsotrip. Así que aquí se permiten las roturas del plano de tierra.

Figura 1: Sección transversal del campo eléctrico perpendicular a la línea TEM. Vista 2D. Figura 2: Sección transversal del campo eléctrico perpendicular a la línea TEM con placas. Vista en 3D. Figura 3: Densidad de corriente en el plano de tierra. Vista 2D Figura 4: Densidad de corriente en el plano de tierra. Vista 3D