접지면을 아날로그와 디지털 부품으로 분리해야합니까?

졸업 프로젝트의 일환으로 첫 번째 PCB를 설계하려고합니다. 물론 첫 단계로 가능한 한 많이 배우려고 노력합니다. 연구의 일부로이 3 부 기사를 찾았습니다. 이는 필요하지 않으며 경우에 따라 접지면을 아날로그와 디지털 부분으로 나누는 것이 해롭다는 것을 암시합니다. 이는 전문가 로부터 배운 내용과 모순됩니다. 또한 접지면 / 타설과 관련된이 사이트의 모든 스레드를 읽습니다. 대다수가 기사와 동의하지만 분할 지상 비행기를 옹호하는 의견이 여전히 있습니다. 예 :

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

PCB 설계 초보자로서 저는 누가 옳고 어떤 방법을 취해야할지 결정하기가 혼란스럽고 어렵다는 것을 알게되었습니다. 접지면을 아날로그와 디지털 부품으로 나누어야합니까? PCB 절단 또는 DGND 및 AGND에 대해 별도의 다각형이있는 물리적 분할을 의미합니다 (연결되지 않거나 한 지점에 연결됨)

아마도 내 예상 PCB에 맞는 권장 사항을 만들 수 있도록 알려줄 것입니다.

PCB는 무료 버전의 Eagle => 2 레이어로 설계됩니다.

PCB는 리튬 배터리의 테스트 및 정밀 측정 (전류 및 전압)을위한 것입니다. 보드는 Raspberry Pi over digital interface (GPIO / SPI (40 kHz))로 제어됩니다. 보드에는 3 개의 데이터 컨버터 (AD5684R, MAX5318, AD7175-2)와 디지털 측에 사전 구축 된 RTC 모듈 용 커넥터가 있습니다. 아날로그 전원은 온보드 LT3042 전압 조정기 (5.49V)를 통해 외부 조정 전원 공급 장치에서 제공됩니다. 또한 LT6655B 5V 전압 레퍼런스가 있습니다. 아날로그 부분은 본질적으로 DC 회로이며, 실제로 유일한 HF는 ADC의 내부 16MHz 마스터 클럭입니다.

디지털 3.3V (주로 디지털 인터페이스 전원 공급 용)는 Raspberry PI에서 공급됩니다. 따라서 2 개의 접지 연결이 있습니다 : 외부 전원 공급 장치와 Raspberry Pi의 디지털 인터페이스.

이와 관련하여 또 다른 질문 : 그림 3을 참조 하면 디지털 인터페이스의 리턴 전류가 올바른 접지 연결로 흐르도록하는 방법은 무엇입니까?

추가 문제 : 전원 분배 curcuit가 민감한 측정을 방해 할 수 있습니까? 하단 레이어의 전원을 라우팅하여 분리하려고했지만 모 놀리 식 접지면의 경우 더 이상 좋은 생각이 아닙니다.

그리고 여전히 묻고있는 동안 : 바닥에 약간의 모 놀리 식 접지면과 상단에 신호 / 구성 요소 층을 가정하면 바이 패스 커패시터의 음극을 접지면에 연결하는 가장 좋은 방법은 무엇입니까?

공유 임피던스 (저항이 아니라 실제로 임피던스)를 생각해야합니다.

민감한 아날로그 목적을 위해 GND를 0V 기준으로 사용하는 회로 부분을 고려하십시오. 분명히 이러한 "0V 기준"각각이 동일한 "0V"전위가 되길 원합니다. 그러나 GND 평면을 통해 흐르는 전류는 각 칩의 "0V"위에 추가 오류 전압이 발생합니다.

이제 전류가 흐르는 GND 회로도를 그립니다.

평면을 분할하지 않았지만 높은 전류가 흐르는 경우 왼쪽에 전원 입력 커넥터, 오른쪽에 전원 출력 커넥터 및 중앙에 초 고감도 아날로그 비트를 배치하면 GND에 높은 전류가 흐르고 전압 기울기가 발생하여 문제가있을 수 있습니다.

주파수에 따라 임피던스 (즉, 저항 만이 아닌 인덕턴스)를 고려하십시오.

이제 몇 가지 해결책이 있습니다.

• 전원 커넥터를보다 합리적인 장소 (예 : 전원 출력 옆의 전원 입력)에 놓아서 고전류가 GND 평면에서 이동하지 않도록 할 수 있습니다. 이는 DCDC의 내부 루프와 같이 크고 노이즈가 많거나 높은 di / dt 전류를 전달하는 모든 전류 루프 또는 DC와 DC 사이의 루프 (예 : CPU) 또는 디커플링 캡 사이의 접지 경로에 적용됩니다. 그리고 분리되는 칩.

이 루프가 어디에 있는지 확인하십시오! 문제가있는 순서로 주문하십시오 (AC의 경우 "area * di / dt"또는 DC의 경우 "area * I"). 배치는 필수입니다. 전류 루프가 타이트한 배치는 레이아웃을 덜 골치 아프게 만듭니다.

• 공통 모드 노이즈를 무시하는 차동 증폭기 및 ADC를 사용할 수 있습니다.

감지 할 전압이 하이 사이드 전류 션트에있는 경우 필수입니다. 이제 예를 들어 전류 감지 증폭기를 사용한다고 가정 해 봅시다. "출력 기준"핀 (종종 "GND"로 잘못 표기 됨)에 출력 된 전압이 출력에 직접 추가되는 것을 잊지 마십시오. "모터 중간에"GND "핀이있는 두 MOSFET 사이에 감지 증폭기를 부착하지 마십시오. 현재 수익률 "경로 ...

• 평면을 분할 할 수도 있지만 분할 할 위치를 결정해야합니다. DC에서 2 개의 접지를 연결하는 경우 (절연체를 사용하는 경우 고주파)

두 가지 접지 AGND 및 PGND (아날로그 및 전원)의 이름을 지정합니다. 일부는 ADC 하에서 AGND / PGND 또는 AGND / DGND를 분리하여 가입한다고 말합니다. 이것은 AGND와 PGND 사이에서 흐르는 모든 전류가 ADC 아래의 그라운드 링크로 흘러야한다는 것을 의미합니다.

많은 의미가있는 솔루션은 "숨겨진 분할"입니다. 배치는 필수입니다. 예를 들어 전원 / 잡음을 오른쪽에, 민감한 부분을 왼쪽에 놓습니다. 디커플링 캡을 배치하면 GND를 통해 흐르는 공급 전류 루프가 짧고 잘 배치됩니다. 그런 다음 보드에 잘 정의 된 영역이 두 개 있기 때문에이를 연결하는 접지면의 폭을 좁혀 민감한 비트의 접지에서 높은 전류가 흐르지 않도록 할 수 있습니다.

매우 시각적이고 설명하기 어려우며 커넥터를 올바르게 배치하는 것이 필수적입니다.

이 튜토리얼은 좋습니다 : https://learnemc.com/emc-tutorials

SLITS를 GND 평면에 도입하는 것만으로도 디지털 / 전력 / 릴레이 / 모터 쓰레기가 섬세한 아날로그 영역에 들어 가지 않게 할 수 있습니다. [편집 6 월 9 일 좁은 영역이 12dB / 스퀘어 감쇠를 달성 함을 보여주었습니다. 2019 년 6 월 수정 파워 플레인도 슬릿해야합니다 (보리 맨이 제안 함)]

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

슬릿 배치와 침입 전류 시작 지점 및 종료 지점에 대해 무엇을 예측할 수 있습니까?

^{이 회로를 시뮬레이션}

슬릿이 전류로 침입 할 때 예상되는 것은 무엇입니까?

^{이 회로를 시뮬레이션}

0.0005 Ohms / square라고 가정하면 PCB의 하단 가장자리를 따라 약 40 마이크로 볼트 / 스퀘어가있었습니다. 아날로그 영역 내부의 PCB 맨 아래 가장자리를 따라 PCB 오른쪽 상단의 ONE AMPERE로 인한 I * R 전압 강하를 간단하게 추정 할 수 있습니다.

Slit_Atten = 민감한 영역 내부의 슬릿 길이 / 전체 루프 길이

맨 아래에서 전압 강하 (제곱 당)는

슬릿 양단 전압 * Slit_Atten

수학 : 슬릿은 4 제곱이므로 4 * 40uV = 160uV입니다.

Slit_Atten은 4 제곱 / 20 제곱 (전체 루프 주변) = 20 %입니다.

사각형 당 I * R 드롭은 160uV * 20 % = 32uV입니다.

이것은 디지털 / 잡음과 아날로그 사이에 NARROW 영역 만 사용하는 값을 보여줍니다.

슬릿하는 다른 방법이 있습니다.

^{이 회로를 시뮬레이션}

OpAmps에 제곱 당 조용한 GND = 32 uVolts가 필요한 제곱 당 전압. 조용하지 않습니다. 무엇을해야합니까?

1) 슬릿을 평면으로 더 자릅니다. 이제 80 %에서 95 %로 가면서 정숙함이 기하 급수적으로 개선 될 것입니다. SPICE 시뮬레이션을 실행하고 방법을 참조하십시오

2) 슬릿을 ----- 좁히지 말고 ---- 이처럼

^{이 회로를 시뮬레이션}

"L"슬릿의 감쇠에 대해 무엇을 예측할 수 있습니까? 좁은 영역의 제곱 당 12dB 감쇠를 예측할 수 있습니다. 확대 해 이것을 본다

^{이 회로를 시뮬레이션}

진짜 열쇠는 항상 배치이며, 지능적으로 수행하고 설치가 이와 같은 일을 할 수 있으며 너무 잘못되어 보드를 라우팅하기가 어려울뿐만 아니라 원하는 정밀도를 얻는 것이 어려울 것입니다.

솔리드 평면은 빠른 작업이 진행되는 동안 몇 ns 영역에서 에지 속도가 발생할 때마다 (클럭 속도는 중요하지 않으며 에지 속도는 중요하지 않음) 최소한 해당 영역 아래에서 솔리드 평면을 원합니다. 일반적으로 솔리드 평면을 수행합니다. 매번 첫 번째 프로토 타입에서 나중에 원하는 것을 얻지 못하면 나중에 엉망이됩니다 (일반적으로 변경할 필요가 없습니다).

이제 귀하의 경우 DC 정확도가 중요하며, 일반적으로 차동 감지를 사용하여 이러한 작업을 수행하는 것이 가장 좋습니다 (일부 평면에 대한 것이 아니라 전압 사이에서 전압을 측정하고 해당 전압을 측정하려는 두 지점 결정).

평면이 있다고해서 임의의 지점에서 평면에 연결해야한다는 의미는 아닙니다. 예를 들어 차동 증폭기의 저항의 '접지 된'끝을 이전 단계 입력과 같은 지점의 평면으로 되돌릴 수 있습니다 디바이더 저항을 사용하면 동일한 전압을 볼 수 있습니다. 계층 적 접지는 좋은 일이지만이 물건의 차동 측정 규칙입니다.

5.49는 나에게 낙관적이다. abs max는 당신이 원하는 곳이 아니다.

분리기는 일반적으로 평면으로 직접 이동합니다.

평면을 분할하기로 결정한 경우 제어 선이 둘 사이를 통과하는 영역 아래에 연속 연결이 있는지 확인해야합니다. 평면에서 분할을 추적하지 마십시오.

속도가 느리면 오버 샘플링이 가능하고 데시 메이션이 유효 단어 길이를 연장한다는 사실을 잊지 마십시오.

이것에 대한 몇 가지 참고 사항. 다른 사람들이 지적했듯이 현재 루프는 친구가 아닙니다. 고출력 / 고속 회로와 전원이 공급되는 위치를 알고 있어야합니다. 이 두 지점 사이의 모든 것은 화재 현장에 직접 있으므로 부스트 컨버터와 고전력 PWM 제어 LED 사이에 16 비트 ADC를 배치하지 마십시오.

지면에서 쪼개지거나 해자가 유익 할 수는 있지만 빠르게 참여할 수 있습니다. 기억해야 할 가장 중요한 것은 고속 / 민감한 신호 라인을 사용 하여 절대로 평면에서 스플릿을 교차시키지 않는 것 입니다. 신호 라인 바로 옆에 리턴 전류 경로 가 필요 합니다. 따라서 ADC를 중심으로 말굽을 만드는 경우 해당 해자 주변의 모든 신호도 라우팅해야합니다. 분할을 절대적으로 가로 질러야하는 경우 로컬 커패시터를 사용하여 별도의 GND 평면을 연결할 수 있지만 1 위에서 해자 류의 목적을 무효화하고 있습니다. 다층 보드가 있다고 가정하지만 그렇게하지 않는 것이 훨씬 덜 고통 스럽습니다. 분할하기 전에 레이어를 참조 평면이 균일 한 다른 평면으로 교체하십시오. NBDC 또는 저주파 신호 / 부하에는 적용되지 않습니다. 해자 주변의 저항이 가장 적은 경로를 따라갈 수있을 정도로 행복합니다. GND 평면의 스플릿을 전원 평면의 스플릿과 일치시켜야한다는 것을 잊지 마십시오!

이를 더욱 복잡하게하기 위해 이것은 참조 평면, 즉 신호 레이어 옆의 접지 평면에 적용됩니다. 8 개 이상의 레이어가있는 경우 민감한 회로가 L8에있는 경우 L2 평면에있는 것은 중요하지 않습니다. 전원 플레인을 참조로 사용할 수도 있지만 요즘에는 많은 전원 플레인 (5V, 3.3V, 1.8V, 1.2V, -5V 등)이 있으므로 문제가되는 회로는 전원 플레인에만 참조 할 수 있습니다. 1.8V PHY에서 3.3V 평면을 참조하는 것은 작동하지 않습니다. 아시다시피, 비행기 사이에 스티칭 캡을 다시 제공하십시오.

VCC와 VCCA와 GND 및 AGND를 분리하여 본질적으로 제로 노이즈 (~ 0.6 ADC 단위) 수준을 달성 한 고속 ADC 멀티 플렉스 회로를 수행했습니다. 그러나 나는 내가하고있는 일을 알고 있으며 종교적으로 아날로그 라인을 매핑하고 다음 층에 관련 구리의 "섬"을 만드는 데 시간을 보냈습니다. 대부분의 시간 동안 나는 모든 근거를 함께 유지하고 현재 루프를 염두에 둡니다.

레이어 변경도 평면에서 분할로 계산되므로 근처에 일치하는 GND 비아가 있어야하므로 고속 리턴 전류는 추가적인 우회를하지 않아도됩니다.

최종 사항 : 리턴 전류는 최소 저항 경로를 따릅니다. 신호 / 전력 추적을 따르지 않을 수있는 가장 짧은 단선 구리 경로 인 저주파의 경우. 더 높은 주파수의 경우 분리가 임피던스를 증가시킬 때 구동 신호 옆에 있습니다. 그렇기 때문에 반사, 방사 RF 주파수, 신호 무결성 손실, 개구리 비 등을 초래하는 불연속성을 생성 할 때 횡단면이 찢어집니다.

아날로그와 디지털의 전원과 접지를 완전히 분리 할 수 ​​있습니다. 이 둘 사이의 디지털 인터페이스에는 절연 된 DC-DC 컨버터와 광 절연을 사용하십시오.