Как сделать землю на плате

24

Три способа объединения земли на печатной плате

Часто при проектировании печатных плат возникает ситуация, когда необходимо закоротить две цепи на плате, не соединяя их на схеме. На схеме цепи не соединяются напрямую, чтобы схемотехнику было удобнее воспринимать схему и работать с ней. Часто стремятся разделить земли различных схемных блоков. Либо разделить систему питания платы на различные ветви и налаживать каждую ветвь по отдельности, а затем убрать наладочные резисторы, заменив их закорачивающей трассировкой.

В OrCAD/Allegro можно соединить две различные цепи как минимум тремя различными способами:

1. Через переходное отверстие.
2. Через статические полигоны.
3. Через специальные посадочные места.

Для закорачивания двух цепей через переходное отверстие необходимо выбрать любое переходное отверстие на ПП, принадлежащее одной из цепей, которые необходимо соединить.

Выбор команды назначения и редактирования свойств объекта

Далее необходимо нажать правую кнопку мышки и выбрать из выпадающего списка команду редактирования свойств переходного отверстия – Property Edit. После данного действия пользователь окажется в новом диалоговом окне, которое позволит назначить переходном отверстию новое свойство NET_SHORT. Значение этого свойства должно совпадать с названием цепи, с которой необходимо провести замыкание.

/>
Назначение объекту нового свойства NET_SHORT

После того, как пользователь нажмет на Apply, а затем на OK, он увидит, что полигон перестал обтекать отверстие и проходит сквозь него. Другими словами, цепи закоротились.

Вид отверстия и полигона до и после назначения свойства Net_Short.

Через статические полигоны

Данный метод очень прост. Его суть заключается в отрисовке двух статических полигонов, принадлежащих двум различным цепям, и надвигании границ этих полигонов друг на друга. Таким образом получается закорачивание цепей в нужной точке печатной платы.

Закорачивание 2-х цепей при помощи полигонов

Через специальные посадочные места

Суть данного метода заключается в создании посадочного места, похожего на резистор или конденсатор. Однако его площадки могут располагаться на любом слое печатной платы: как внутреннем, так и внешнем. И площадки будут закорочены между собой небольшим полигоном или отрезком проводящей линии. Полигоном закорачивать удобнее, поскольку его можно расположить на определенном подклассе и включать по мере надобности. Т.е. когда плата налаживается при помощи закорачивающих резисторов, данный полигон отключен. Когда прибор отработан и запускается в массовое производство, слой с закорачивающими полигонами включается в состав Gerber файлов.

Так же пользователю не нужно помнить все координаты, где одна цепь закорочена с другой. Поскольку соединение происходит посредством посадочных мест, их можно назвать определенным образом и их координаты всегда будут присутствовать в отчете о компонентах печатной платы.
Для того, чтобы создать такой компонент, достаточно взять любое посадочное место от резистора или конденсатора, назвать его уникальным именем и поместить на разрабатываемую печатную плату.

Затем необходимо отредактировать контактные площадки, выбрав команду Tools → Padstack → Modify Design Padstack. После активации команды выбирается нужная контактная площадка.

Выбор КП для редактирования

В редакторе контактных площадок необходимо переключить тип площадки на Die Pad, а затем выбрать необходимый слой на вкладке Design Layers.

Смена типа контактной площадки

Смена слоя, на котором теперь будет располагаться контактная площадка

После смены слоя необходимо выбрать команду File → Update to design and exit в окне редактора контактных площадок.

КП элемента переместились на выбранный пользователем слой

Площадки компонента переместятся на выбранный пользователем слой.

Чтобы реализовать замыкание, можно изменить размер контактных площадок так, чтобы они пересеклись. Это будет самым простым выходом. Можно так же дорисовывать соединительный полигон.

Техника разводки печатных плат

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.

Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем.

Печатная плата — компонент схемы

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Макетирование

Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком.

Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы.

Источники шума и помех

Шум и помехи являются основнымм элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнал-процессоры (DSP).

Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.

КАТЕГОРИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находиться неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной — основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель компонентов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 — наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.

Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.

FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время, как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.

При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр може оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы — поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.

Категория

Компоненты, комментарии

бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности

бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности

бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками

стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

КОЛИЧЕСТВО СЛОЕВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам. Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.

Двухслойные печатные платы

На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 более предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

• общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь «много» общего провода для упрощения разводки.
• увеличивается механическая прочность платы.
• уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
• увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
• полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.

Многослойные печатные платы

Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:

• такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;
• сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;
• между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

• лучшее подавление электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
• снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.

Порядок следования слоев

У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную палату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя — слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

Хорошее заземление — общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли.

Разделение земли на аналоговую и цифровую части — один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

• Шины питания и земли должны находится под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости.
• Не допускайте перекрытий аналоговых и цифровых полигонов (рис. 1). Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Если в каком-либо месте существует перекрытие аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему. Такие перекрытия аннулируют изоляцию полигонов.

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота может вызывать проблему, но и ее высшие гармоники.

• Хорошей концепцией является размещение аналоговой части схемы вблизи к входным/выходным соединениям платы. Разработчики цифровых печатных плат, использующие мощные интегральные схемы, часто склонны разводить шины шириной 1 мм и длиной несколько сантиметров для соединения аналогововых компонентов, полагая, что малое сопротивление трассы поможет избавиться от наводок. То, что при этом получается, представляет собой протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов, цифровой земли и цифрового питания, усугубляя проблему.

Пример хорошего размещения компонентов

На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастоный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей отнесены друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.

Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключенны к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.

Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.

Необходимо учитывать то, что цифровая элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так — высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.

Обычно применяются резисторы трех типов: 1) проволочные, 2) углеродные композитные и 3) пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?

В действительности, никто никогда не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мкОм. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой свитые слои фольги, которые создают паразитную индуктивность. Эффект собственной индуктивности у керамических конденсаторов значительно меньше, что позволяет использовать их при работе на высоких частотах. Кроме этого, конденсаторы обладают током утечки между обкладками, который эквивалентен включенному параллельно их выводам резистору, добавляющему свое паразитное воздействие к воздействию последовательно включенного сопротивления выводов и обкладок. К тому же, электролит не является идеальным проводником. Все эти сопротивления складываясь создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Конденсаторы, используемые в качестве развязок должны обладать малым ESR, поскольку последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры довольно значительно увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление и может привести к ухудшению характеристик конденсатора. Поэтому, если предполагается использование алюминиевого электролитического конденсатора при повышенной рабочей температуре, то необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа (105°С).

Выводы конденсатора также вносят свой вклад в увеличение паразитной индуктивности. Для малых значений емкости важно оставлять длину выводов короткой. Сочетание паразитных индуктивности и емкости может создать резонансный контур. Полагая, что выводы имеют индуктивность порядка 8 нГн на один сантиметр длины, конденсатор емкостью 0,01 мкФ с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь резонансную частоту около 12,5 МГц. Этот эффект известен инженерам, которые десятилетия назад разрабатывали электронные вакуумные приборы. Тот, кто восстанавливает антикварные радиоприемники и не знает об этом эффекте, сталкивается с множеством проблем.

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:

Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц — сопротивлением 6,28 МОм. Верно?

В действительности, не существует индуктивности с реактивным сопротивлением 6,28 МОм. Природу возникновения паразитного сопротивления легко понять — витки катушки выполнены из провода, обладающего некоторым сопротивлением на единицу длины. Паразитная емкость воспринимается труднее до тех пор, пока не принять во внимание то, что следующий виток катушки расположен вплотную к предыдущему, и между близко расположенными проводниками возникает емкостная связь. Паразитная емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту. Небольшие проволочные индуктивности начинают становиться неэффективными в диапазоне 10. 100 МГц.

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образовывают своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.

Немного из теории антенн

Одним из основных типов антенн является штырь или прямой проводник. Такая антенна работает, потому что прямой проводник обладает паразитной индуктивностью и поэтому может концентрировать и улавливать излучение от внешних источников. Полный импеданс прямого проводника имеет резистивную (активную) и индуктивную (реактивную) составляющие:

На постоянном токе или низких частотах преобладает активная составляющая. При повышении частоты реактивная составляющая становится все более и более значимой. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц индуктивная составляющая начинает оказывать влияние, и проводник более не является низкоомным соединителем, а скорее выступает как катушка индуктивности.

Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

Обычно, трассы на печатной плате обладают значениями от 6 нГн до 12 нГн на сантиметр длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.

Правило штыревой антенны гласит, что она начинает ощутимо взаимодействовать с полем при своей длине около 1/20 от длины волны, а максимальное взаимодействие происходит при длине штыря, равной 1/4 от длины волны. Поэтому 10-сантиметровый проводник из примера в предыдущем параграфе начнет становиться довольно хорошей антенной на частотах выше 150 МГц. Необходимо помнить, что несмотря на то, что генератор тактовой частоты цифровой схемы может и не работать на частоте выше 150 МГц, в его сигнале всегда присутствуют высшие гармоники. Если на печатной плате присутствуют компоненты со штыревыми выводами значительной длины, то такие выводы также могут служить антеннами.

Другой основной тип антенн — петлевые антенны. Индуктивность прямого проводника сильно увеличивается, когда он изгибается и становится частью дуги. Увеличивающаяся индуктивность понижает частоту, на которой начинает происходить взаимодействие антенны с линиями поля.

Опытные дизайнеры печатных плат, достаточно хорошо разбирающиеся в теории петлевых антенн, знают, что нельзя создавать петли для критичных сигналов. Некоторые разработчики, однако, не задумываются об этом, и проводники возвратного и сигнального тока в их схемах представляют собой петли. Создание петлевых антенн легко показать на примере (рис. 8). Кроме того, здесь показано и создание щелевой антенны.

Рассмотрим три случая:

Вариант A — пример скверного дизайна. В нем вовсе не используется полигон аналоговой земли. Петлевой контур формируется земляным и сигнальным проводником. При прохождении тока возникают электрическое и перпендикулярное ему магнитное поля. Эти поля образовывают основу петлевой антенны. Правило петлевой антенны гласит, что для наибольшей эффективности длина каждого проводника должна быть равно половине длины волны принимаемого излучения. Однако, следует не забывать, что даже при 1/20 от длины волны петлевая антенна все еще остается достаточно эффективной.

Вариант Б лучше варианта A, но здесь присутствует разрыв в полигоне, вероятно, для создания определенного места для разводки сигнальных проводников. Пути сигнального и возвратного токов образуют щелевую антенну. Другие петли образуются в вырезах вокруг микросхем.

Вариант В — пример лучшего дизайна. Пути сигнального и возвратного тока совпадают, сводя на нет эффективность петлевой антенны. Заметьте, что в этом варианте также присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

Теория отражения и согласования сигналов находится близко к теории антенн.

Когда проводник печатной платы поворачивает на угол 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит, главным образом, из-за изменения ширины пути прохождения тока. В вершине угла ширина трассы увеличивается в 1.414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Довольно часто необходимо повернуть на печатной плате трассу на 90°. Многие современные CAD-пакеты позволяют сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги. На рисунке 9 показаны два шага улучшения формы угла. Только последний пример поддерживает постоянной ширину трассы и минимизирует отражения.

Совет для опытных разводчиков печатных плат: оставляйте процедуру сглаживания на последний этап работ перед созданием каплеобразных выводов и заливкой полигонов. Иначе, CAD-пакет будет производить сглаживание дольше из-за более сложных вычислений.

ПАРАЗИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор. Емкость такого конденсатора расчитывается по формуле, приведенной на рисунке 10.

Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:
— 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли — смежные,
— межслойный интервал — 0,2 мм,
— ширина проводника — 0,75 мм,
— длина проводника — 7,5 мм.

Типовое значение диэлектрической постоянной ER для FR-4 равняется 4.5.

Подставив все значения в формулу, получим значение емкости между этими двумя шинами, равное 1,1 пФ. Даже такая, казалось бы, небольшая емкость для некоторых приложений является недопустимой. Рисунок 11 иллюстрирует эффект от емкости в 1 пФ, возникающий при подключении ее к инвертирующему входу высокочастотного операционного усилителя.

Видно, что происходит удвоение амплитуды выходного сигнала на частотах, близких к верхнему пределу частотного диапазона ОУ. Это, в свою очередь, может привести к генерации, особенно на рабочих частотах антенны (выше 180 МГц).

Этот эффект порождает многочисленные проблемы, для решения которых, тем не менее, существует много способов. Самый очевидный из них — уменьшение длины проводников. Другой способ — уменьшение их ширины. Нет причины применения проводника такой ширины для подводки сигнала к инвертирующему входу, т.к. по этому проводнику протекает очень небольшой ток. Уменьшение длины трассы до 2,5 мм, а ширины до 0,2 мм приведет к уменьшению емкости до 0,1 пФ, а такая емкость уже не приведет к столь значительному подъему частотной характеристики. Еще один способ решения — удаление части полигона под инвертирующим входом и проводником, подходящим к нему.

Инвертирующий вход операционного усилителя, особенно, высокоскоростного, в большой степени склонен к генерации в схемах с высоким коэффициентом усиления. Это происходит из-за нежелательной емкости входного каскада ОУ. Поэтому, крайне важно уменьшить паразитную емкость и располагать компоненты обратной связи настолько близко к инвертирующему входу насколько это возможно. Если, несмотря на принятые меры, происходит возбуждение усилителя, то необходимо пропорционально уменьшить сопротивления резисторов обратной связи для изменения резонансной частоты цепи. Также может помочь и увеличение резисторов, правда, значительно реже, т.к. эффект возбуждения зависит и от импеданса схемы. При изменении резисторов обратной связи нельзя забывать и об изменении емкости корректирующего конденсатора. Также нельзя забывать и о том, что при уменьшении сопротивлении резисторов увеличивается потребляемая мощность схемы.

Ширину проводников печатной платы невозможно бесконечно уменьшить. Предельная ширина определяется как технологическим процессом, так и толщиной фольги. Если два проводника проходят близко друг к другу, то между ними образуется емкостная и индуктивная связь (рис. 12).

Зависимости, описывающие эти паразитные эффекты, достаточно сложны, чтобы их приводить в этой статье, но их можно найти в литературе, посвященной линиям передачи и полосковым линиям.

Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, исключая случаи разводки дифференциальных или микрополосковых линий. Зазор между проводниками должен быть минимум в три раза больше ширины проводников.

Емкость между трассами в аналоговых схемах может создать затруднения при больших сопротивлениях резисторов (несколько МОм). Относительно большая емкостная связь между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя легко может привести к самовозбуждению схемы.

Всякий раз, когда при разводке печатной платы появляется необходимость в создании переходного отверстия, т.е. межслойного соединения (рис. 13), необходимо помнить, что при этом возникает также паразитная индуктивность. При диаметре отверстия после металлизации d и длине канала h индуктивность можно вычислить по следующей приближенной формуле:

Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нГн.

Имейте в виду, что индуктивность отверстия вместе с такой же паразитной емкостью формируют резонансный контур, что может сказаться при работе на высоких частотах. Собственная индуктивность отверстия достаточно мала, и резонансная частота находится где-то в гигагерцовом диапазоне, но если сигнал в течение своего пути вынужден проходить через несколько переходных отверстий, то их индуктивности складываются (последовательное соединение), а резонансная частота понижается. Вывод: старайтесь избегать большого числа переходных отверстий при разводке ответственных высокочастотных проводников аналоговых схем. Другое негативное явление: при большом количестве переходных отверстий в полигоне земли могут создаваться петлевые участки. Наилучшая аналоговая разводка — все сигнальные проводники располагаются на одном слое печатной платы.

Кроме рассмотренных выше паразитных эффектов существуют еще такие, которые связаны с недостаточно чистой поверхностью платы.

Помните, что, если в схеме присутствуют большие сопротивления, то особое внимание следует уделить очистке платы. На заключительных операциях изготовления печатной платы должны удаляться остатки флюса и загрязнений. В последнее время при монтаже печатных плат достаточно часто применяются водорастворимые флюсы. Являясь менее вредными, они легко удаляются водой. Но при этом отмывка платы недостаточно чистой водой может привести к дополнительным загрязнениям, которые ухудшают диэлектрические характеристики. Следовательно, очень важно производить отмывку печатной платы с высокоимпедансной схемой свежей дистиллированой водой.

Как уже отмечалось, помехи могут проникать в аналоговую часть схемы через цепи питания. Для уменьшения таких помех применяются развязывающие (блокировочные) конденсаторы, уменьшающие локальный импеданс шин питания.

Если необходимо развести печатную плату, на которой имеются и аналоговая, и цифровая части, то необходимо иметь хотя бы небольшое представление об электрических характеристиках логических элементов.

Типовой выходной каскад логического элемента содержит два транзистора, последовательно соединенные между собой, а также между цепями питания и земли (рис. 14).

Эти транзисторы в идеальном случае работают строго в противофазе, т.е. когда один из них открыт, то в этот же момент времени второй закрыт, формируя на выходе либо сигнал логической единицы, либо логического нуля. В установившемся логическом состоянии потребляемая мощность логического элемента невелика.

Ситуация кардинально меняется, когда выходной каскад переключается из одного логического состояния в другое. В этом случае в течение короткого промежутка времени оба транзистора могут быть открыты одновременно, а ток питания выходного каскада сильно увеличивается, поскольку уменьшается сопротивление участка пути тока от шины питания до шины земли через два последовательно соединенных транзистора. Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем также убывает, что приводит к локальному изменению напряжения питания и возникновению резкого, кратковременного изменения тока. Такие изменения тока приводят к излучению радиочастотной энергии. Даже на сравнительно простой печатной плате может быть десятки или сотни рассмотренных выходных каскадов логических элементов, поэтому суммарный эффект от их одновременной работы может быть очень большим.

Невозможно точно предсказать диапазон частот, в котором будут находиться эти выбросы тока, поскольку частота их возникновения зависит от множества причин, в том числе и от задержки распространения переключений транзисторов логического элемента. Задержка, в свою очередь, также зависит от множества случайных причин, возникающих в процессе производства. Шум от переключений имеет широкополосное распределение гармонических составляющих во всем диапазоне. Для подавления цифрового шума существует несколько способов, применение которых зависит от спектрального распределения шума.

В таблице 2 представлены максимальные рабочие частоты для распространенных типов конденсаторов.

Практическое руководство по компоновке печатных плат для высокоскоростных схем. Часть 2 — Земляной слой и экранирование

В этой теме гораздо больше нюансов, чем может вместить статья, но мы отметим несколько ключевых моментов, оставив читателю возможность разбираться в деталях самостоятельно. Список литературы приведен в конце статьи.

Земляной слой служит общим опорным потенциалом схемы и заодно обеспечивает экранирование и рассеяние тепла, а также уменьшает паразитную индуктивность проводников (правда, увеличивая при этом их паразитную емкость). Хотя слой земли и дает много преимуществ, при его проектировании необходимо быть осторожным, поскольку его возможности ограничены.

В идеальном случае один из слоев платы должен быть целиком выделен для земли. Наилучшие результаты получаются, если этот слой не имеет разрывов. Не поддавайтесь искушению размещать в этом выделенном слое другие дорожки. Земляной слой уменьшает индуктивность дорожки за счет ослабления магнитного поля между слоем и дорожкой. Когда удаляются участки земляного слоя, паразитная индуктивность дорожек, находящихся выше или ниже этого слоя, может возрасти.

Поскольку площади поверхности и поперечного сечения слоя земли значительны, этот слой обладает малым омическим сопротивлением. На низких частотах ток пойдет по пути с наименьшим омическим сопротивлением, а на высоких – с наименьшим импедансом.

Тем не менее, бывают исключения, и иногда чем меньше слой земли, тем лучше. Высокоскоростные ОУ работают лучше, если слой земли удален из-под контактных площадок входа и выхода ОУ. Паразитная емкость, добавленная земляным слоем во входную цепь ОУ, уменьшает запас по фазе и может привести к неустойчивости. Как уже указывалось в разделе «Паразитные параметры», 1 пФ дополнительной емкости может вызвать ощутимый подъем коэффициента усиления на высоких частотах. Емкость в нагрузке, включая паразитную, создает полюс в петле обратной связи, что также может привести к уменьшению запаса по фазе и неустойчивости.

Аналоговые и цифровые цепи, в том числе их земли и земляные слои, должны быть максимально разделены. Крутые фронты цифровых сигналов порождают всплески тока в земляном слое. Эти короткие всплески тока создают помехи, способные нарушить работу аналоговых частей схемы. Земли аналоговых и цифровых частей (а также шины питания) следует объединять в одной общей точке, чтобы свести к минимуму циркулирующие токи цифровой и аналоговой земли и создаваемые ими помехи.

На высоких частотах необходимо также учитывать такое явление, как скин-эффект. Под этим явлением понимают протекание тока только в тонком приповерхностном слое проводника, что, по сути, уменьшает его эффективное поперечное сечение, приводя к росту его сопротивления по сравнению с измеренным на постоянном токе. Хотя рассмотрение скин-эффекта выходит за рамки этой статьи, дадим приближенное выражение для нахождения толщины скин-слоя в меди:

D – толщина скин-слоя в сантиметрах,
f – частота в Гц.

Для уменьшения влияния скин-эффекта может быть полезно покрывать медь металлами с низким удельным сопротивлением.

Влияние корпуса ИС

Обычно ОУ предлагаются в различных корпусах. Выбранный тип корпуса может повлиять на высокочастотные характеристики усилительной схемы. Главные факторы здесь – паразитные параметры (упоминавшиеся ранее) и разводка сигнальных дорожек. Здесь мы сосредоточим внимание на разводке входных и выходных цепей и проводников питания ОУ.

На Рисунке 9 показаны отличия компоновки ОУ в корпусе SOIC (Рисунок 9а) и SOT-23 (Рисунок 9б). Каждый тип корпуса характеризуется собственным набором проблем. Глядя на (Рисунок 9а), мы видим, что существует несколько способов разводки цепи обратной связи. Самое главное здесь – минимальная длина дорожек. Паразитная индуктивность в цепи обратной связи (ОС) может вызвать «звон» и выбросы на переходной характеристике. На Рисунках 9а и 9б цепь ОС располагается вокруг ОУ. На Рисунке 9в показан альтернативный подход – цепь ОС проходит под корпусом SOIC, что уменьшает длину дорожки. Каждый вариант имеет тонкие отличия от других. Первый вариант может привести к избыточной длине дорожки и, соответственно, к повышенной индуктивности. Второй вариант требует использования переходных отверстий, имеющих собственные паразитные параметры. Их влияние также необходимо учитывать при разводке платы. Выводы корпуса SOT-23 расположены почти идеально: минимальная длина дорожки цепи ОС и минимальное количество переходных отверстий, емкость нагрузки и блокировочные конденсаторы соединяются в общей точке земли короткими проводниками, и, наконец, конденсаторы, шунтирующие положительную шину питания, не показанные на Рисунке 9б, помещены непосредственно под соответствующими блокировочными конденсаторами отрицательной шины на нижней стороне платы.

Цоколевка ОУ, обеспечивающая низкие искажения. У компании Analog Devices есть ОУ (например, AD8045), расположение выводов которых помогает решить обе упоминавшиеся ранее проблемы, а также улучшает характеристики в двух других важных областях. Такие ОУ в корпусе LFCSP (Рисунок 10) имеют обычную цоколевку, но смещенную на один вывод против часовой стрелки. Освободившееся место использовано в качестве дополнительного выхода, специально предназначенного для подключения цепи ОС.

Подобное расположение выводов допускает кратчайшее соединение между выходом ОУ (точнее, именно этим дополнительным выводом) и инвертирующим входом, как показано на Рисунке 11. Это делает разводку платы значительно более простой и рациональной.

Еще одно преимущество – снижение уровня второй гармоники. Одной из причин появления второй гармоники в выходном сигнале ОУ с обычным расположением выводов является паразитная связь между неинвертирующим входом и выводом отрицательного напряжения питания. Специальное расположение выводов для корпуса LFCSP исключает эту связь и значительно уменьшает уровень второй гармоники; в некоторых случаях возможно ее снижение на 14 дБ. Рисунок 12 демонстрирует разницу между искажениями, вносимыми корпусами SOIC и LFCSP для ОУ AD8099.

У такого корпуса есть еще одно преимущество – улучшенное рассеяние тепла. Корпус LFCSP снабжен открытым металлическим основанием, которое снижает тепловое сопротивление корпуса, а сопротивление кристалл-среда θ_JA оно способно снизить примерно на 40%. В таком корпусе температура кристалла ИС ниже, чем в обычном пластмассовом, что повышает надежность.

Трассировка и экранирование

На печатных платах имеется большое разнообразие аналоговых и цифровых сигналов, с малыми и большими напряжениями и токами, спектр которых простирается от постоянного тока до гигагерц. Бывает трудно сделать так, чтобы эти сигналы не мешали друг другу.

Вспоминая совет «Никому не доверять», очень важно продумать все заранее и набросать план того, как сигнал будет обрабатываться на плате. Важно отметить здесь, какие сигналы подвержены помехам, и определить меры, позволяющие сохранить их целостность. Земляные слои обеспечивают общую точку для сигналов, а также могут использоваться для экранирования. Когда нужно изолировать сигналы друг от друга, первым делом следует обеспечить физический зазор между дорожками.

Вот нескольких хороших правил, которые необходимо соблюдать:

• Сокращайте до минимума длинные участки с параллельным расположением дорожек на одной стороне платы, чтобы уменьшить индуктивную связь.
• Сокращайте длину дорожек на соседних слоях, это уменьшит емкостную связь.
• Сигнальные дорожки, взаимовлияние которых нежелательно, располагайте в отдельных слоях, а если невозможно их значительно раздвинуть – располагайте их перпендикулярно друг другу со слоем земли между ними. Перпендикулярное расположение уменьшает емкостную связь, а слой земли образует экран. Этот метод применяется при создании согласованных линий передачи.

Высокочастотные сигналы, как правило, передаются по согласованным линиям передачи. Другими словами, надлежащая трассировка дорожек обеспечивает характеристический импеданс линии, скажем, 50 Ом (типичный для ВЧ приложений). Существует два распространенных типа таких линий с контролируемым импедансом – несимметричные и симметричные, способные давать одинаковые результаты, но реализуемые по-разному.

Несимметричная полосковая линия, показанная на Рисунке 13, может проходить по любой стороне платы; находящийся непосредственно под ней земляной слой используется как основание линии.

Для нахождения характеристического импеданса линии на плате из материала FR4. можно использовать следующую формулу:

H – расстояние между полоской (печатной дорожкой) и основанием (земляным слоем),

W – ширина дорожки,

T – толщина дорожки,

ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость материала платы.

Все размеры выражены в милах (одна тысячная дюйма).

Симметричные полосковые линии передачи (см. Рисунок 14) состоят из двух земляных слоев (оснований) с помещенной между ними сигнальной дорожкой (полоской). При таком подходе используется больше дорожек, требуется больше слоев платы, выше чувствительность к изменениям толщины диэлектрика и стоимость, поэтому такие линии используется только в ответственных приложениях.

Для расчета характеристического импеданса симметричной полосковой линии используется следующая формула:

Охранные кольца или эквипотенциальная защита – это еще один распространенный метод экранирования, применяемый к ОУ; он используется для предотвращения влияния токов утечек на чувствительные узлы схемы. Принцип прост – чувствительный узел полностью окружается охранным проводником, потенциал которого поддерживается равным потенциалу самого узла, что позволяет отвести токи утечек на охранный проводник в обход чувствительного узла. На Рисунке 15а показаны схемы подключения охранного кольца для инвертирующего и неинвертирующего усилителя. На Рисунке 15б представлена типичная реализация охранных колец для ОУ в корпусе SOT-23-5.

Существует множество других вариантов экранирования и разводки. Для получения дополнительной информации по рассмотренным темам рекомендуем читателю обратится к источникам по приведенным ниже ссылкам.

Заключение

Для успешного проектирования схем на ОУ и, особенно, высокоскоростных схем, большое значение имеет рациональная компоновка платы. Хорошая принципиальная схема является основой для хорошей компоновки; существенно важно тесное взаимодействие проектировщиков схемы и платы, особенно в вопросах расположения компонентов и разводки дорожек. Темы для обсуждения должны включать блокировку по питанию, борьбу с паразитными параметрами, использование земляных слоев, влияние корпуса ОУ и способы экранирования и разводки.

Используйте земляной полигон всегда, когда это возможно. Советы и рекомендации по компоновке печатных плат

Я не отрицаю, что можно разработать печатную плату без слоя земли, и во многих случаях вы можете таким способом создать полностью рабочую плату (или, по крайней мере, она будет полностью рабочей при работе в благоприятной среде). И хотя, на мой взгляд, есть несколько ситуаций, в которых выполнение соединений земли с помощью обычных дорожек является неплохой идеей, но полигоны земли – это простой способ улучшить производительность и предотвратить проблемы.

Медь – это резистор

В принципиальных схемах провода идеальны, но в реальной жизни таких проводов нет (если кто-то не начал производство печатных плат, используя сверхпроводники. ). Физические соединения, включая проводники на печатных платах, представляют собой резисторы с низким значением. Тот факт, что мы часто можем игнорировать это сопротивление соединений, не означает, что оно не влияет на работу схемы. На странице 8 этого документа, опубликованного Analog Devices, автор демонстрирует, что 5-сантиметровая дорожка печатной платы может вносить в оцифрованные значения, генерируемые 16-разрядным АЦП, ошибки, превышающие 1 младший бит.

Расчет сопротивления проводника

\[R= \rho \cdot \cdot \left[ 1 + \alpha \cdot (temp — 25) \right]\]

Во многих случаях мы мало что можем сделать, чтобы смягчить влияние сопротивления сигнального проводника: крошечные микросхемы и стремление к миниатюризации схемы часто приводят к переполненным слоям, которые не допускают широких проводников или оптимального размещения компонентов. Однако мы можем улучшить общую ситуацию, используя полигон земли, который уменьшает сопротивление обратного пути.

Это уменьшенное сопротивление обратного пути является фундаментальным преимуществом включения земляного полигона в вашу печатную плату. Он уменьшает шум, вызванный колебаниями обратного тока, и устанавливает более равномерное напряжение земли (поскольку меньшее сопротивление означает меньшее падение напряжения между физически разделенными частями сети земли). Отдав земле целый слой и соединив с помощью переходных отверстий с ним всё, вы сделаете физически реализованную схему более похожей на идеализированную схему на чертеже принципиальной схемы.

Проще и меньше

Земляной полигон улучшает электрические характеристики вашей схемы, одновременно упрощая задачу компоновки и в некоторых случаях уменьшая размер вашей печатной платы. Я не буду останавливаться на этих аспектах, потому что думаю, что они более или менее говорят сами за себя. Полигон позволяет вам получить доступ к сети земли в любом месте, где вы можете сделать переходное отверстие – а сделать переходное отверстие гораздо проще, чем проложить проводник земли через запутанный набор дорожек, полигонов меди и микросхем с мелким шагом выводов.

Эта улучшенная разводка может позволить вам сдвинуть компоненты ближе друг к другу и, таким образом, уменьшить размер платы, хотя есть также вероятность того, что плата в конечном итоге станет больше, если из-за полигона земли вы потеряете один из двух слоев для компонентов (к этому я еще вернусь к концу статьи).

Избегайте земляных петель

По моему опыту, термин «земляная петля» может относиться к любой ситуации, в которой на систему влияет разница потенциалов у земли. Типовым примером является случай, когда два модуля соединены длинным кабелем, и обратный ток в кабеле приводит к тому, что напряжение земли одного модуля значительно выше, чем напряжение земли другого модуля. Однако в этом обсуждении я имею в виду конкретно петлю из проводников земли; например:

Пример «земляной петли»

Если вам необходимо выполнить много соединений с землей с помощью отдельных проводников на печатной плате, то вам не составит труда создать петлю, подобную показанной выше. Если вы читали мою статью о взаимной индуктивности, вы знаете, что такого рода проводящая петля является хорошим приемником магнитных помех.

Наличие земляного полигона не делает невозможным создание земляной петли, поскольку CAD-программа не помешает вам рисовать дорожки между точками соединения с землей. Но если вы соединения с землей выполняете последовательно, используя переходные отверстия, проблема должна в значительной степени исчезнуть: выводя переходные отверстия на полигон, вы создаете прямое соединение от компонента к точке земли, которая через низкое сопротивление соединяется ко всем остальным точкам земли в схеме.

Правильное соединение компонентов с земляным полигоном

Встроенный экран

Сплошной земляной полигон обеспечивает некоторую степень защиты от электромагнитных помех (как излучаемых, так и принимаемых). Я бы не стал полагаться на землю для решения всех проблем с электромагнитными помехами, особенно если у вас есть компоненты на обеих сторонах платы; тщательно спроектированный проводящий корпус был бы более эффективным. Тем не менее, всё немного помогает, и если вы беспокоитесь об электромагнитных помехах, у вас есть еще одна причина для включения полигона земли в компоновку вашей платы.

Конденсатор из полигонов на печатной плате

Это не главное преимущество, и оно применимо только к земляным полигонам, которые смежны с полигонами питания. Но думаю, это всё-таки стоит упомянуть. Земляной полигон, отделенный от полигона питания тонким диэлектриком, очень похож на конденсатор с параллельными пластинами, чем это и является. Эта структура добавляет к цепи источника питания небольшую распределенную емкость по всей вашей печатной плате, хотя она, конечно, не заменит блокировочные конденсаторы.

Практические препятствия

Я не могу представить сценарий, при котором четырехслойная печатная плата не имела бы земляного полигона. Предполагаю, что вполне возможно, что при очень плотной компоновки для нормальной разводки сигналов потребуются оба внутренних слоя, но, честно говоря, это кажется маловероятным: да, полигон занимает площадь платы, но за счет упрощения соединений с землей он также уменьшает общую площадь области разводки платы.

Гораздо более реалистичный сценарий состоит в том, что земляной полигон отбрасывается, потому что проблемы со временем или бюджетом приводят к выбору двухслойной платы. Теперь земляной полигон будет занимать один из двух слоев печатной платы. Действительно, стоит ли выделять слой под землю, если это означает, что почти все дорожки и компоненты перемещаются на один слой? На мой взгляд, да, всё же лучше добавить земляной полигон, если схема не настолько проста, что для организации земляных соединений вы можете использовать хорошо организованные дорожки с низким сопротивлением. Но, честно говоря, если ваши ограничения по размеру настолько сильны, что вы не можете сделать плату достаточно большой, чтобы разместить земляной полигон снизу, а аккуратную компоновку сверху, вам стоит перейти к четырехслойной плате.

Это первый слой для двухслойной платы, которую я разработал некоторое время назад. Иногда вам действительно нужен второй слой в качестве пути обхода для нескольких сложных соединений, и это не главная проблема. Слой полигона не обязательно должен быть на 100% занят землей.

Резюме

Добавление слоя с земляным полигоном на печатную плату – это простой, недорогой, высокоэффективный способ проектирования электронных устройств, которые имеют лучшую целостность сигнала, бо́льшую аккуратность и бо́льшую устойчивость к помехам. Если вы еще не привыкли использовать слой с полигоном земли, вспомните о его преимуществах, когда придет время разрабатывать следующую плату.