Kapan harus menggunakan guntingan bidang tanah?

Saya telah membaca lebih banyak tentang teknik pentanahan yang tepat dan menggunakan pesawat landasan.

Dari apa yang saya baca, pesawat ground memberikan kapasitansi besar dengan lapisan yang berdekatan, pembuangan panas lebih cepat, dan mengurangi induktansi tanah.

Satu bidang yang saya sangat tertarik adalah kapasitansi liar / parasit dibuat. Seperti yang saya pahami, ini bermanfaat untuk jejak daya tetapi berpotensi merusak saluran sinyal.

Saya telah membaca beberapa saran tentang di mana menempatkan pesawat landasan yang kokoh, dan saya bertanya-tanya apakah ini adalah rekomendasi yang baik untuk diikuti dan apa yang akan menjadi pengecualian untuk saran ini:

1. Simpan pesawat darat di bawah jejak / pesawat listrik.
2. Lepaskan bidang tanah dari saluran sinyal, khususnya saluran kecepatan tinggi atau saluran apa pun yang rentan terhadap kapasitansi liar.
3. Gunakan cincin pelindung tanah dengan tepat: Mengelilingi garis impedansi tinggi dengan cincin impedansi rendah.
4. Gunakan pesawat ground lokal (hal yang sama berlaku untuk saluran listrik) untuk IC / sub-sistem, kemudian ikat semua landasan ke pesawat ground global pada 1 titik, lebih disukai di dekat tempat yang sama dengan ground lokal dan kabel listrik lokal bertemu.
5. Cobalah untuk menjaga bidang tanah serata / sekokoh mungkin.

Apakah ada saran lain yang harus saya pertimbangkan saat merancang tanah / kekuatan PCB? Apakah tipikal untuk merancang tata letak daya / ground terlebih dahulu, tata letak sinyal terlebih dahulu, atau apakah ini dilakukan bersamaan?

Saya juga punya beberapa pertanyaan tentang pesawat # 4 dan lokal:

1. Saya akan membayangkan menghubungkan pesawat darat lokal ke pesawat darat global mungkin melibatkan penggunaan vias. Saya telah melihat saran di mana beberapa vias kecil (semua di lokasi yang kira-kira sama) digunakan. Apakah ini direkomendasikan melalui satu yang lebih besar melalui?
2. Haruskah saya menjaga tanah / kekuatan global di bawah pesawat lokal?

2) Saya sangat merekomendasikan MELAWAN pemotongan tanah di dekat sinyal berkecepatan tinggi. Kapasitansi liar sebenarnya tidak terlalu berpengaruh pada elektronik digital. Biasanya kapasitansi liar membunuh Anda ketika bertindak untuk membuat filter parasit pada input op amp.

Bahkan, sangat dianjurkan untuk menjalankan sinyal kecepatan tinggi Anda secara langsung melampaui pesawat yang tidak terputus ; ini disebut " microstrip ". Alasannya adalah bahwa arus frekuensi tinggi mengikuti jalur induktansi terkecil. Dengan bidang tanah, jalur ini akan menjadi gambar cermin dari jejak sinyal. Ini meminimalkan ukuran loop, yang pada gilirannya meminimalkan radiasi EMI.

Contoh yang sangat mencolok dari ini dapat dilihat di situs web Dr. Howard Johnson. Lihat gambar 8 dan 9 untuk contoh arus frekuensi tinggi yang mengambil jalur induktansi terendah. (Jika Anda tidak tahu, Dr. Johnson adalah otoritas pada integritas sinyal, penulis "Desain Digital Berkecepatan Tinggi yang banyak dipuji: Buku Pegangan Ilmu Hitam")

Penting untuk dicatat bahwa setiap pemotongan pada bidang tanah di bawah salah satu dari sinyal digital berkecepatan tinggi ini akan meningkatkan ukuran loop karena arus balik harus mengambil jalan memutar di sekitar potongan Anda, yang mengarah pada peningkatan emisi juga. Anda ingin pesawat yang benar-benar tidak terputus di bawah semua sinyal digital Anda. Penting juga untuk dicatat bahwa bidang daya juga merupakan bidang referensi seperti bidang tanah, dan dari perspektif frekuensi tinggi kedua pesawat ini terhubung melalui kapasitor bypass, sehingga Anda dapat mempertimbangkan arus balik frekuensi tinggi untuk "melompat". pesawat dekat tutup.

3) Jika Anda memiliki tanah yang bagus, tidak ada alasan untuk menggunakan jejak penjaga. Pengecualian akan menjadi op amp yang saya sebutkan sebelumnya, karena Anda mungkin telah memotong bidang tanah di bawahnya. Tetapi Anda masih perlu khawatir tentang kapasitansi parasit dari jejak penjaga. Sekali lagi, Dr. Johnson ada di sini untuk membantu dengan gambar-gambar cantik .

4.1) Saya percaya bahwa beberapa vias kecil akan memiliki sifat induktansi yang lebih baik karena mereka paralel, versus satu besar melalui mengambil kira-kira jumlah ruang yang sama. Sayangnya saya tidak ingat apa yang saya baca yang membuat saya percaya ini. Saya pikir itu karena induktansi via secara linear berbanding terbalik dengan jari-jari, tetapi area via secara kuadrat berbanding lurus dengan jari-jari. (sumber: Dr. Johnson lagi ) Jadikan via jari-jari 2x lebih besar, dan ia memiliki setengah induktansi tetapi memakan area 4x lebih banyak.

Sejauh menghubungkan pesawat tanah lokal ke pesawat tanah global yang bersangkutan, lebih baik menggunakan beberapa vias kecil karena akan membantu mendistribusikan arus dan juga tingkat kegagalan PCB diminimalkan selain memberikan pembuangan panas yang lebih baik.

Tidak ada salahnya menjaga tanah / pesawat listrik global di bawah pesawat lokal seolah-olah Anda mengamati desain PCB berlapis-lapis, inilah yang diikuti.

Berhati-hatilah untuk tidak secara longgar mendefinisikan frekuensi tinggi.

Efek saluran transmisi, yang memerlukan teknik microstrip atau stripline, patut dipertimbangkan ketika panjang saluran adalah 1/100 atau lebih besar dari frekuensi perhatian sinyal tertinggi (Ulaby). Jadi, ini berguna untuk desain gelombang mikro. Misalnya, bentuk gelombang 1GHz di udara memiliki panjang 30 cm, namun di FR-4 ia memiliki sekitar setengahnya (sqrt dari epsilon r, relatifitas relatif, untuk FR-4 kira-kira 4, tergantung pada komposisi). Oleh karena itu, jejak yang panjangnya beberapa sentimeter pasti akan menjadi perhatian untuk 1GHz.

Untuk 10MHz, efek saluran transmisi hampir tidak terlihat. Harmoni kelima 10MHz adalah 50MHz, dan pada FR-4 sekitar 150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3 meter. Jadi, dalam bus sepanjang 30 cm orang mungkin mengalami awal distorsi fase.

Perhatian sebenarnya adalah kebisingan. Dengan meletakkan jejak yang cukup lebar di atas bidang tanah, energi sinyal merambat melalui substrat antara jejak dan bidang tanah (Poynting). Dan EMI dari sumber lain tidak bisa masuk.

Garis mikrostrip memiliki impedansi karakteristik yang ditentukan oleh lebar jejak dan ketebalan dan bahan substrat; jejak yang lebih tipis memiliki impedansi karakteristik yang lebih tinggi. Impedansi udara bebas adalah 377 ohm. Saat jejak Zo mendekati angka ini, ia mulai memancar. Bahkan dengan pesawat darat. Dengan cara yang sama, penebalan substrat memiliki efek yang sama. Perhatikan bahwa ketika bekerja dalam frekuensi tinggi, impedansi adalah kunci ... terminasi, pencocokan ... bus yang cukup panjang akan memiliki pantulan yang terukur jika tidak diakhiri dengan benar.

Namun, dengan desain yang padat muncul kebutuhan akan jejak tipis. Jadi, kompromikan sesuatu.

Untuk menjaga agar impedansi saluran mikro tidak berubah oleh slot bidang tanah, slot harus berjarak setidaknya dua lebar microstrip (jika microstrip diproyeksikan secara vertikal ke bidang tanah).

Di bawah ini adalah beberapa gambar dari pemecah medan 3D yang menunjukkan distribusi medan listrik di dalam micrsotrip dan kerapatan arus pada bidang tanah. Kesimpulannya hampir tidak ada bidang atau arus dua lebar dari micrsotrip. Jadi istirahat pesawat darat diizinkan di sini.

Gambar 1: Penampang medan listrik tegak lurus dengan stripline. Tampilan 2D. Gambar 2: Penampang medan listrik tegak lurus dengan stripline. Tampilan 3D. Gambar 3: Kepadatan arus di bidang tanah. Tampilan 2D Gambar 4: Kepadatan arus di bidang tanah. Tampilan 3D