¿Cómo puedo mantener separadas varias masas (es decir, AGND, DGND, etc.) en el diseño cuando utilizo Eagle?

Question

He diseñado varias placas de circuito impreso en las que necesitaba mantener separados los retornos de tierra de las distintas partes del circuito, es decir, analógico, digital y de alta potencia. Utilizo Cadsoft Eagle para la captura y el diseño de esquemas. Es bastante fácil definir diferentes símbolos de tierra en el editor de esquemas. Cada uno tiene su propio nombre de red. Sin embargo, todas las masas deben estar conectadas en un punto de la PCB para definir la referencia global de masa. Al conectar una masa (o alimentación) a otra, Eagle suele sustituir uno de los nombres de red por el otro, es decir, elimina su carácter distintivo. Esto es sensato desde un punto de vista eléctrico idealista que asume que los cables no tienen impedancia. Sin embargo, en el mundo real no existe la impedancia cero, ni tampoco la tierra. Este comportamiento de anulación del nombre de la red obstaculiza el diseño de las placas de circuito impreso. ¿Cómo puedo evitarlo? Esto no es un gran problema en el dibujo esquemático porque los símbolos de alimentación se mantienen y los nombres de red están ocultos. Sin embargo, en el editor de diseño, después de conectar las masas, sólo queda un único nombre de red de masa.

En el trazado es posible mantener manualmente separados los distintos terrenos aunque tengan el mismo nombre de red, y conectarlos en un punto. De este modo, aún es posible alcanzar el objetivo de diseño con una única masa deificada. Sin embargo, es una pesadilla logística mantener los distintos trazados de tierra separados cuando tienen los mismos nombres de red.

¿Hay alguna forma mejor de hacerlo?

He intentado hacer mi propia pieza Eagle donde las múltiples y distintas masas se conectan eléctricamente, pero, no tienen los mismos nombres de red. La parte era sólo una serie de almohadillas SMD físicamente superpuestas. Cada pad podía ser conectado a un único nombre de red, preservando así las tierras distintas, pero, proporcionó una conexión eléctrica entre las tierras. Esto parecía funcionar bien con el inconveniente de que el Design Rules Check (DRC) pensaba que los pads superpuestos eran un problema. De hecho, Sparkfun tiene una parte de águila que hace esto, sin embargo, optaron por mantener las almohadillas separadas, es decir, no se superponen. Esto soluciona el problema de DRC, pero, entonces el tablero no está conectado correctamente eléctricamente. Esto causó errores en una de mis placas antes.

¿Existe una buena solución para este problema? ¿Es Eagle extraño en su manejo de esto? ¿Otras herramientas EDA lo hacen mejor que Eagle? ¿Estoy haciendo algo mal? Esto ha sido una fuente de irritación para mí desde hace algún tiempo.

Answer 1

Cree una huella con almohadillas GND y AGND. Dibuja cobre entre estas almohadillas. Sí, esto producirá un error de DRC "Overlap" como se muestra a continuación:

Está bien. . Hay tres botones en la parte inferior:

• Borrar todo
• Procesado
• Aprobar

"Borrar todo" borrará temporalmente la lista para esta ejecución de la RDC. No estoy seguro de por qué es útil; simplemente cierra la ventana si quieres acortarla.

"Procesado" desvanecerá el color de la X roja. Esto es potencialmente útil si está iterando a través de una larga lista de errores DRC y corrigiéndolos a medida que avanza; puede realizar un seguimiento de los que cree que ha corregido.

"Aprobar" es la única que utilizo habitualmente. Esto mueve el error de la lista de errores a la lista de aprobados:

y lo mantiene en las siguientes ejecuciones de la RDC. Tenga en cuenta que esto sólo mueve este error específico con este par específico de redes en esta ubicación específica. Al cerrar esta ventana y volver a ejecutar el RDC aparece la notificación "RDC: 1 errores aprobados"

y ningún cuadro de diálogo "Errores DRC". Puede recuperar este diálogo creando un error, o (preferiblemente) la función errors el signo de exclamación amarillo de la captura de pantalla anterior, o el menú Herramientas -> Errores.

La función "Aprobar" existe por una razón, la misma por la que tenemos herramientas como

#pragma GCC diagnostic ignored "-Warning"

A veces, está bien ignorar un error de RDC. Esta es una de esas veces.

Answer 2

Lo hago con unos dispositivos especiales que he creado para este fin y que llamo "cortos". Son almohadillas contiguas que no requieren la instalación de ningún componente. En el esquema aparecen como una línea ligeramente engrosada. El punto es que se ven como una conexión en el esquema con suficiente distinción para ver, pero es de esperar que no se interponga en el camino. Como son dispositivos separados desde el punto de vista de Eagle, puedes colocarlos donde quieras como cualquier otro dispositivo. Usted puede ver un corto en la parte inferior de la página 1 de la Esquema USBProg . Ese en particular tiene el designador de componente SH2, y es el único punto de conexión entre la tierra de alimentación y la tierra de la placa principal.

Mis cortos están disponibles gratuitamente en la versión de Eagle Tools en www.embedinc.com/pic/dload.htm . Hay varios pantalones cortos en función de la capa en la que se quieran o de si cruzan capas.

El único inconveniente en Eage es que obtendrá una gran cantidad de molestos errores DRC para cada corto. He oído que en la versión 6 será posible decirle en el paquete que ciertas cosas están autorizados a solaparse, pero por ahora no hay manera de evitar esto.

Answer 3

Es absolutamente necesario disponer de varios planos de tierra. Con todo respeto al Sr. Ott ya que todo lo que dice no es equivocado per se, sólo llega a una conclusión incompleta por omitir la consideración del lado analógico. Lo que el Sr. Ott pasa por alto es que dentro de la propia sección analógica El uso de múltiples planos de tierra -uno por cada bloque funcional de circuitos analógicos- dispuestos en forma de estrella, es un requisito para obtener un bajo nivel de ruido (Douglas Self " Diseño de audio de pequeña señal " Focal Press 2010, NwNavGuy http://nwavguy.blogspot.jp/2011/05/virtual-grounds-3-channel-amps.html ). Aunque en estas dos referencias se consideran específicamente los diseños de audio, los principios son aún más importantes en los circuitos analógicos de alta precisión en aplicaciones de adquisición de datos y/o control.

La cuestión que se plantea es la siguiente: ¿cómo implementar la toma de tierra digital en un diseño con múltiples tomas de tierra analógicas? Un error es "tapar" la PCB con un único plano de tierra y utilizar sólo las técnicas de diseño descritas por el Sr. Ott para evitar interferencias entre las secciones analógicas y digitales. Si lo hace, el rendimiento analógico puede verse afectado. debido a la interferencia analógica-analógica .

En un diseño típico, cada ADC o DAC estará probablemente relacionado con diferentes secciones funcionales de la circuitería analógica. Proporcione una "isla" de tierra analógica para cada una de estas secciones con una ruta de retorno de tierra independiente, dispuesta en un patrón de tierra en estrella, de vuelta a la "tierra de referencia". Esta tierra de referencia no es necesariamente la tierra de la fuente de alimentación (o batería). Si hay un regulador que suministra la alimentación analógica, entonces la tierra de referencia es la tierra de la batería. clavija de masa del regulador IC . En cuanto a la parte digital, la clavija de tierra del regulador que alimenta la parte digital (si es diferente de la que alimenta la parte analógica) también debe conectarse a la tierra de referencia con trazas lo más cortas posible. La tierra digital también debe implementarse como una isla aislada con un retorno de tierra independiente a la tierra de referencia.

Ahora tenemos que ocuparnos de la interfaz entre las secciones analógica y digital. Esto incluye

1. separar las masas analógicas y digitales en los dispositivos ADC y DAC,
2. fuentes separadas para alimentación analógica y digital en el mismo dispositivo y
3. líneas de control como los buses I2C o PCI.

(1) Separe las masas analógica y digital.
Los diseñadores de circuitos integrados de señal mixta saben que la tierra analógica y digital deben estar conectadas entre sí, pero no pueden proporcionar esa conectividad dentro del circuito integrado debido a las restricciones de la geometría de la matriz y las conexiones de los pads. Por lo tanto, la recomendación es siempre conectar estos dos puntos externamente lo más cerca posible del circuito integrado. Tenga en cuenta que no siempre es así: muchos DAC y potenciómetros digitales (una forma de DAC) no tienen clavijas de tierra analógica y digital separadas. Para estos dispositivos, la conexión ya se ha realizado dentro del CI. Al conectar la masa analógica y digital juntas, el par combinado debe conectarse al plano de masa analógico para esa sección del circuito.

(2) Suministros analógicos y digitales separados en el mismo dispositivo
Estos planos de potencia estarán separados aunque tengan el mismo voltaje. El plano de alimentación digital debe estar aislado de su regulador de origen (y de la alimentación analógica si está controlada por el mismo regulador) mediante un cordón de ferrita. Conecte la alimentación digital de los circuitos integrados de señal mixta a la isla de alimentación digital; como mínimo, puentee la alimentación analógica y digital a la patilla de tierra del circuito integrado con condensadores cerámicos (se recomiendan 100nF X7R/X5R; algunos fabricantes de circuitos integrados recomiendan condensadores adicionales; siga las directrices indicadas en la hoja de datos). Siga las directrices de las mejores prácticas de diseño situando los condensadores de derivación lo más cerca posible de las patillas del dispositivo. Asegúrese de que el condensador de bypass digital está conectado a la tierra analógica y digital combinada en el lado de la patilla de tierra digital; no debe conectarse en algún lugar "entre" las patillas analógica y digital. Recuerde que el condensador de bypass de alimentación digital está ahí para alimentar los pulsos de corriente que se producen cuando los dispositivos digitales cambian de estado. Por lo tanto, hay un bucle de corriente alterna desde el pin de alimentación digital, a través del condensador, hasta el pin de tierra (lado digital) y de vuelta a través del dispositivo hasta los pines de alimentación digital - un bucle de corriente que puede y emitirá radiación. Por eso es importante colocar el condensador de bypass lo más cerca posible del dispositivo, minimizando así el tamaño de este bucle de corriente.

(3) Líneas de control como los buses I2C y/o PCI
Hasta ahora, dado lo anterior, tenemos un problema para conectar las líneas de control desde, por ejemplo, el microcontrolador a los dispositivos de señal mixta, ya que estas líneas deben, por definición, cruzar del lado digital al lado analógico. Para ello, sigue la recomendación del Sr. Ott de proporcionar un puente entre la tierra analógica y la digital. Para cada isla analógica que tenga líneas de control que la conecten al lado digital, proporcione un puente desde cada tierra analógica a la tierra digital y dirija las líneas de señal directamente sobre ese puente. Dependiendo del diseño y de la complejidad del circuito, es posible que haya un solo puente conectado a más de una masa analógica. Eso es aceptable - la cuestión clave es encaminar todas las líneas de control ruidosas sobre un puente. Las razones para ello se explican detalladamente en el artículo del Sr. Ott.

En resumen, las técnicas anteriores requieren más trabajo que una única placa de masa, pero son necesarias. Nada de lo anterior niega o elimina las indicaciones del Sr. Ott sobre el trazado cuidadoso y saber siempre por dónde fluyen las vías de corriente continua y alterna ( ambos caminos - enviar y volver). La mayoría de los autoenrutadores tendrán problemas para ofrecer un resultado de calidad teniendo en cuenta lo anterior. Una técnica que puede ahorrar tiempo es trazar automáticamente las islas de circuitos y trazar a mano las interconexiones, los retornos a tierra, la distribución de energía y las líneas de control. Algunas aplicaciones de diseño de PCB no permiten crear puentes de tierra analógico-digital, ya que se trata de conectar diferentes redes de señal. Si tu software tiene soporte explícito para esto, estupendo, si no puede que te veas forzado a una situación en la que anules un error detectado por el proceso DRC.

Answer 4

"¿Hay una forma mejor de hacerlo?"

Sí, hay dos maneras de manejar esto:

• Utilice un plano de tierra sólido no dividido como recomendó Henry W. Ott.
• Utilice un componente "cortocircuito virtual" ("tierra estrella") y normas especiales de la RDC.

No estoy seguro de cómo lo haces en Eagle, pero en Altium la gente hace el componente "corto virtual" muy similar a lo que ya has descrito. Mencionas el dilema: Hacer que los pads se solapen en el componente "corto virtual", por desgracia, da un error DRC. Hacer que las almohadillas estén separadas en el componente "cortocircuito virtual", por desgracia, hace que las secciones no estén correctamente conectadas eléctricamente. Hay una tercera opción, una solución al dilema:

Haga que las almohadillas del componente "cortocircuito virtual" estén muy cerca unas de otras, pero sin solaparse: 0,002 mil (2 micropulgadas) menos de contacto. A continuación, corrija las reglas de DRC de modo que, para este componente especial, no den un error de holgura. Un espacio tan microscópicamente pequeño no se puede fabricar en una PCB: en la producción acabará cortocircuitado, como usted desea.

¿Hay alguna forma de ver si tal vez Henry Ott tiene razón y un único plano de tierra ininterrumpido para todo (analógico, digital y de alimentación) podría funcionar mejor?

Answer 5

Un poco tarde pero aún así, aquí está cómo hacerlo:

Conseguir 2 suelos diferentes es sencillo. Añade un símbolo de masa en tu esquema y dale un nuevo valor. Ahora ve a las propiedades de ese símbolo de tierra y aparecerá una opción extra que dice 'sobrescribir nombre de dispositivo'. Desmarca esa opción.

Ahora dibuja un cable de red al símbolo de tierra y nombra ese cable AGND por ejemplo. Ahora tu símbolo de tierra tendrá el mismo nombre de red. Ahora dale a tu símbolo de tierra un valor que diga AGND para dejar un poco más claro que esa tierra es AGND y no la otra tierra por ejemplo.

A continuación se muestran algunas imágenes para que quede un poco más claro. Mira en la parte inferior izquierda de la pantalla los nombres de las señales para que veas que funciona.