Einzelpunkt gegen Masseebene in Audio-OP-AMP-Leiterplattenlayouts

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Kürzlich hatte ich eine scheinbar unschuldige Frage in einem anderen Forum gepostet. Ich habe versucht, eine kleine und relativ einfache Schaltung auf eine 2-Schicht-Platine zu beschränken, und habe nach den Abschirmungsvorteilen eines Kupfergusses gefragt, der an eine analoge Erdung gebunden ist, anstatt eine ungebrochene separate Ebene für die Erdung zu verwenden. Obwohl sich meine Frage nur auf den Abschirmwert eines solchen Kupfergusses bezog, begann eine große Kontroverse an einem ganz anderen Punkt. In meinem Layout hatte ich eine virtuelle Erdung unter Verwendung des typischen Spannungsteilers erstellt, der einen mit Einheitsverstärkung konfigurierten OP-Verstärker speist, und dann jede einzelne analoge Erdungsrückführung zu einem Punkt neben dem Ausgang dieser virtuellen Erdung ausgeführt. Ich hatte auch einen Kupferguss auf die am wenigsten belebte Schicht gemacht und sie an denselben analogen Boden gebunden, wieder an demselben einzelnen Punkt. Aber es folgte bald eine Reihe von Beiträgen, die meine Verwendung eines derart verschlungenen "Spinnennetz" -Schemas beschimpften, wobei viele darauf hinwiesen, dass ich einfach eine Grundebene erstellen und alle Verbindungen zum nächstgelegenen verfügbaren Punkt dieser Ebene herstellen sollte (bis wann) notwendig). Wenn Sie dies tun, wird das Layout optisch sauberer und einfacher. Aber nachdem ich so viele Jahre den "Single Point" Weg gegangen bin und größtenteils erfolgreiche (dh ruhige und stabile) Designs habe, zögere ich, dies zu ändern. Zumal einige der Argumente von Single-Point-Gründen als etwas Archaischem sprachen und in Vakuumröhrenschaltungen verbannt wurden. Was? Mit vielen Worten, dass ich einfach eine Grundebene erstellen und alle Verbindungen zum nächsten verfügbaren Punkt dieser Ebene herstellen sollte (bei Bedarf durch via). Wenn Sie dies tun, wird das Layout optisch sauberer und einfacher. Aber nachdem ich so viele Jahre den "Single Point" Weg gegangen bin und größtenteils erfolgreiche (dh ruhige und stabile) Designs habe, zögere ich, dies zu ändern. Zumal einige der Argumente von Single-Point-Gründen als etwas Archaischem sprachen und in Vakuumröhrenschaltungen verbannt wurden. Was? Mit vielen Worten, dass ich einfach eine Grundebene erstellen und alle Verbindungen zum nächsten verfügbaren Punkt dieser Ebene herstellen sollte (bei Bedarf durch via). Wenn Sie dies tun, wird das Layout optisch sauberer und einfacher. Aber nachdem ich so viele Jahre den "Single Point" Weg gegangen bin und größtenteils erfolgreiche (dh ruhige und stabile) Designs habe, zögere ich, dies zu ändern. Zumal einige der Argumente von Single-Point-Gründen als etwas Archaischem sprachen und in Vakuumröhrenschaltungen verbannt wurden. Was? Zumal einige der Argumente von Single-Point-Gründen als etwas Archaischem sprachen und in Vakuumröhrenschaltungen verbannt wurden. Was? Zumal einige der Argumente von Single-Point-Gründen als etwas Archaischem sprachen und in Vakuumröhrenschaltungen verbannt wurden. Was?

Meine Recherchen zu diesem Thema schienen also zwei Lager zu diesem Thema aufzuzeigen. Ein Argument ist, dass eine ungebrochene Grundebene immer überlegen ist, wenn sie verfügbar ist. Das andere Argument besagt, dass wenn es sich um eine Hochfrequenzschaltung handelt, eine Erdungsebene besser ist, aber für eine Niederfrequenzschaltung (einschließlich Audio) die Einzelpunkt-Erdungsmethode besser ist, hauptsächlich um Erdschleifen zu vermeiden.

Natürlich habe ich immer noch ein Dilemma, da mich die Kosten für Prototypen dieses Mal, wenn möglich, auf ein 2-Lagen-Board beschränken, und dies bedeutet, dass meine Pseudo-Grundebene bestenfalls ein Kupferguss sein wird, der hier und da durch einige kurze Spuren unterbrochen wird . Bevor ich jedoch diese Komplexität oder mögliche Ausnahme zur Regel hinzufüge, möchte ich diese spezielle Frage zur allgemeinen Diskussion stellen: Für ein Audio-Design mit OP-Verstärkern, wann und wann ist ein Einzelpunkt-Grundschema der beste Weg ist nur der einfachere "nächstgelegene Weg zu einer Grundebene" die bessere (oder zumindest angemessene) Wahl.

Beispielsweise zeigen diese zweischichtigen Screenshots zwei einigermaßen ähnliche Versionen derselben Platine, die in Wirklichkeit etwa 4 "x 2,5" groß sind. Im ersten sehen Sie viele lange Spuren auf beiden Seiten des Boards, die auf einem einzigen Pad mit der Bezeichnung AGND gipfeln. Die zweite ist fast dieselbe Schaltung, aber diesmal ist der blaue kupferarme Bereich Teil des analogen Erdungsnetzes, sodass all diese langen Spuren zugunsten des nächstgelegenen Pfades zur Erdungsebene / zum Kupferguss verschwunden sind. Abgesehen von jeglicher möglichen Kritik an anderen Layoutproblemen ist dies nur ein Beispiel. Ich möchte diese Diskussion wirklich auf die ursprüngliche Frage beschränken.

Single Point Ground Version Single Point Ground Version

Nächster Weg zur Grundebenenversion Nächster Weg zur Grundebenenversion

Geil
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Das ist eine gute Frage! (Aus meiner begrenzten Erfahrung) Ich mag den Single-Point-Boden für DC-Audio (vielleicht bis 100 kHz). (Es ist auch etwas von der Verstärkung abhängig.) Sobald Sie darüber hinausgehen (f> 1 MHz), habe ich es besser gefunden, eine große Masse mit mehreren Verbindungen zur Masse der Frontplatte / des Gehäuses zu haben. Ich vermute, es besteht eine Verbindung zu den Rückströmen des Signals. Irgendwann interessiert Sie mehr die Induktivität der Erdungsleitung.
George Herold
Weißt du, ich habe fast angefangen, mir die Induktivität dieser langen Bodenwege als meinen Freund vorzustellen. Schließlich scheinen sie die Verstärkung bei Frequenzen zu hemmen, bei denen Sie keine Verstärkung in einem Audiokreis wünschen! Und ja ... in Bezug auf die Verstärkungsfrage ist diese spezielle Schaltung so konzipiert, dass sie rundum nahezu eins ist und nur Signale mit Leitungspegel (ca. 100 mV) verarbeitet. In einem solchen Fall ist es also wahrscheinlich nicht wichtig. Aber ich denke, ich sollte besser aufgeschlossen sein, wenn die eine oder andere Art wirklich besser ist. Haben Sie neben dem Routing-Aufwand auch negative Auswirkungen der Einzelpunkterdung festgestellt?
Randy
Grinsen, gut eine Verstärkung von 10 ^ 4, BW DC- ~ 2-3 MHz. Die erste Einzelpunkt-Erdungsplatine schwang nicht ... aber fast. Es hatte eine böse Verstärkungsspitze bei einer hohen Frequenz. Bei hoher Frequenz ist die Induktivität nicht dein Freund. Ich denke, das führt zu einer Phasenverschiebung. Haben Sie sich eines der Dinge zur Signalintegrität angesehen, in denen darüber gesprochen wird, wo die Rückströme (gnd) fließen?
George Herold
Ich habe gehört, dass bei hohen Frequenzen die Grundebene die bessere Wahl ist, wahrscheinlich wegen dieses Induktivitätsproblems. Das Problem ist natürlich, dass sogar eine für Audio bestimmte Schaltung mit einer unerwünschten hohen Frequenz schwingen kann. Also habe ich mir angewöhnt, diese zusätzlichen RC-Netzwerke hinzuzufügen, um Mr. Murphy abzuwehren. Ich denke, unabhängig davon, welche Methode die beste ist, befreit uns keiner davon, diese Schaltungsblockaden gegen solche Probleme hinzuzufügen. Was ist schlimmer ... Induktivität langer Spuren oder Erdschleifen auf Bodenebenen! ;-(
Randy

Antworten:

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Für beide gibt es Vor- und Nachteile.

Eine Signal-Vollmasseebene hat den Vorteil, dass das Signal 0 V eine hohe Integrität 0 V ist und auf das man sich verlassen kann, jedoch nicht, wenn Ströme von irgendeiner Bedeutung fließen. Obwohl eine Masseebene eine sehr niedrige Impedanz aufweist, können immer noch Spannungsabfälle auftreten, wenn signifikante Ströme fließen. Wie viel Voltabfall ein Problem darstellt, hängt ganz vom kleinsten Signal ab, das Sie verstärken möchten.

Ein Sternpunktsystem vermeidet die im vorherigen Absatz erwähnten "signifikanten Ströme", indem sichergestellt wird, dass Spuren Signale (0-V-Rücklaufspuren) übertragen, die nicht mit diesen signifikanten Strömen geteilt werden. Der Nachteil ist, dass Sie am Ende Magnetschleifen haben, bei denen Spannungen voneinander induziert werden können und der "signifikante Strom", der in einer anderen Spur fließt, gekoppelt werden kann.

Andy aka
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Nun, das weiß ich zu schätzen. Dein Denken spiegelt mein Denken wider, und ich habe dort etwas Geschichte. Nehmen wir nun einen Fall, in dem die meisten Bodenreferenzen reine Referenzen sind, die nur minimalen Strom führen. Wie der + Eingang eines OP-Verstärkers, der die virtuelle Masse über 1 Megaohm referenziert. Nehmen wir weiter an, es handelt sich um einen Rundum-Niedrigstromkreis, bei dem alle Verstärkungen Spannungsverstärkungen (nicht Leistungsverstärkungen) sind. Würden Sie sagen, dass es an diesem Punkt überhaupt wichtig ist? Und was ist mit einem hybriden Ansatz ... bei dem diese reinen Referenzen an eine Ebene gebunden sind, aber alle wahren Signalrückgaben isolierte Spuren zurück zum Ursprung der Bodenquelle verwenden?
Randy
Ich kann auch sehen, dass aufgrund der Beschränkung auf zwei Schichten und der Verwendung eines Kupfergusses anstelle einer festen Ebene die Notwendigkeit, einige Spuren auf der "Gieß" -Seite anzubringen, minimiert werden muss. In meinem zweiten Beispiel kann ich bereits sehen, wo ich mich in den Fuß geschossen habe, wodurch Bodenströme zwischen der unteren rechten und der linken Seite des Bretts gezwungen werden, sich um diese langen Spuren in der Nähe der unteren Mitte zu wickeln. Seitdem habe ich einige Durchkontaktierungen hinzugefügt, um all diese auf die oberste Schicht umzuleiten, damit mein Kupfer einen Schritt näher an eine Grundebene gießt.
Randy
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Es tut uns leid, dass Sie den alten (Art) Thread wiederbelebt haben, aber OP (und auch andere Leser) finden dieses Dokument möglicherweise von Interesse:

http://www.maximintegrated.com/de/app-notes/index.mvp/id/5450

Wie ich das obige Dokument verstehe, sollte man zwischen hohen (1 MHz und höher) und niedrigen (1 MHz und niedriger) Frequenzströmen unterscheiden, da diese unterschiedliche Rückstrompfade haben. Daher kann eine feste / einzelne Masseebene verwendet werden, solange die Spuren, die Signale unterschiedlicher Frequenzen tragen, zusammen gruppiert sind (dh Hochfrequenzsignale mit anderen Hochfrequenzsignalen auf der einen Seite und Niederfrequenzsignale zusammen mit anderen Niederfrequenzsignalen auf der anderen Seite ).

ElectronicSupersonic
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Interessant und danke. Ich werde sagen, dass ich in Mixed-Signal-Designs, wie ich sie beschrieben habe, immer versucht habe, geteilte Grundebenen für Grabungs- und Aud-Bereiche zu verwenden. Bisher habe ich gute Ergebnisse erzielt, aber andererseits arbeite ich selten mit sehr hoher Verstärkung, und meine analoge Arbeit liegt im Audiobereich. Außerdem habe ich mich seit meinem Beitrag für einfache Grundebenen in verschiedenen Audio-Designs entschieden, und die Boards haben sich gut benommen. Da alle meine Erdungspunkte einen Strom nahe Null führen, spielt es vermutlich keine Rolle. Ich vermute, dass viele der Sternmuster-Argumente für handverdrahtete Perf Board-Prototypen am kritischsten sind.
Randy