Trace Crossing Split Power Flugzeug

Die meisten Quellen im Internet diskutieren das Routen von Signalen über ein Split-Power-Flugzeug und wie man dies richtig macht. Die Hauptlösung besteht darin, einen kurzen Rückstrompfad zu erstellen. Ich frage mich, ob das Routing von Signalen über eine geteilte Stromversorgungsebene (nicht die Masseebene) spürbare Auswirkungen auf die Signalintegrität hat und ob ich Maßnahmen ergreifen sollte.

Meine Situation:

4-lagige Leiterplatte:

• Oberste Schicht: Signal
• Interne Ebene: geteilter Boden (analog / digital)
• Interne Ebene: Aufgeteilte Stromversorgungsebene (in diesem Fall sind 3,3 V digital und 3,3 V analog relevant)
• Untere Schicht: Signal

Ich leite ein paar Taktsignale auf der untersten Ebene vom digitalen zum analogen Abschnitt. Die Signale kreuzen die Leistungsebene, die zwischen dem digitalen und dem analogen Abschnitt aufgeteilt ist (der Spalt ist 0,5 mm breit). Ich werde einen festen Stromrückweg auf der Grundebene (Brücke zwischen digital und analog) bereitstellen, damit Rückströme kein Problem darstellen sollten.

Das Taktsignal liegt knapp über 12 MHz, die Leiterbahnen sind 0,2 mm breit und maximal 13,4 cm lang. Die Leiterbahnen werden mit einem Vorwiderstand abgeschlossen.

Die schnelle Antwort:

Jedes Signal, das einen Split in der Strom- oder Masseebene passiert, ist schlecht. Je höher die Umschaltrate (und je schneller die Signalflanken sind), desto schlechter sind die Effekte.

Die lange Antwort:

Wenn Sie sagen: "Ich werde einen festen Stromrückleitungspfad auf der Grundebene (Brücke zwischen digital und analog) bereitstellen, damit Rückströme kein Problem darstellen", verstehen Sie die Probleme entweder nicht oder ich habe sie nicht verstanden deine Meinung. Der Grund, warum ich das sage, ist, dass Sie keinen "festen Stromrückweg" haben und trotzdem eine geteilte Ebene haben können. Da muss eine gewisse Unbeständigkeit drin sein.

Die Rückströme fließen auf der Strom- ODER Masseebene, die dem Signal am nächsten liegt . Wenn sich Ihr Signal in Ihrem Fall auf der obersten Schicht befindet, befinden sich die Rückströme auf Ihrer Erdungsschicht. Befindet sich Ihr Signal jedoch auf der untersten Ebene, befinden sich die Rückströme auf der Stromversorgungsschicht. Bei den meisten Signalen mittlerer bis hoher Geschwindigkeit folgt der Rückstrom der Signalspur und nimmt nicht den kürzesten Weg. Anders ausgedrückt, versuchen die Rückströme, die "Schleifenfläche" zu minimieren.

Wenn Ihr Signal von unten nach oben (oder umgekehrt) wechselt, wechseln auch die Rückströme und fließen durch eine Entkopplungskappe. Aus diesem Grund ist es wichtig, Entkopplungskappen über die gesamte Leiterplatte zu streuen, auch wenn sie zu weit von einem Chip entfernt sind, um die Leistung zu verbessern.

Die Minimierung der Schleifenfläche ist entscheidend für die Signalintegrität, die Minimierung von EMI und die Reduzierung der Auswirkungen von ESD.

Wenn Ihr Signal einen Split in der Power / Ground-Ebene durchschneidet, müssen die Rückströme einen Umweg machen. In einigen Fällen kann dieser Umweg die Schleifenfläche um das 2fache oder sogar das 10fache vergrößern! Die einfachste und beste Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, kein Signal über einen Split zu führen.

Einige Karten verfügen über gemischte analoge und digitale Ebenen oder auf einigen Systemen über mehrere Stromschienen. Hier ist eine Liste von Dingen, die unter diesen Umständen hilfreich sein können:

1. Bei Dingen wie Uhren oder aktiven Datenleitungen möchten Sie wirklich keinen Split überqueren. Einige kreative PCB-Routing ist die beste Lösung, obwohl Sie manchmal nur eine kombinierte Analog / Digital-Ebene haben müssen, anstatt sie zu teilen.

2. Bei Signalen mit niedriger Geschwindigkeit oder bei Signalen, die zum größten Teil aus Gleichstrom bestehen, können Sie eine Teilung überqueren, aber vorsichtig und selektiv vorgehen. Wenn Sie können, verlangsamen Sie die Flankenrate mit einem Widerstand und möglicherweise einer Kappe. Normalerweise würde der Widerstand die Aufteilung physikalisch überbrücken.

3. Dinge wie 0-Ohm-Widerstände oder Kappen können verwendet werden, um einen Signalrückleitungsweg zwischen zwei Ebenen bereitzustellen. Wenn beispielsweise ein Signal den Split überspringt, kann das Hinzufügen einer Kappe zwischen den beiden Ebenen in der Nähe des Signals hilfreich sein. Aber Vorsicht, wenn dies nicht gut gemacht wird, kann dies die positiven Auswirkungen einer Aufspaltung zunichte machen (dh das digitale Rauschen wird nicht auf die analoge Ebene übertragen). Das Schöne an der Verwendung von Kappen oder 0-Ohm-Widerständen ist, dass Sie nach der Herstellung der Leiterplatte mit dem Design herumspielen können. Sie können jederzeit Teile stopfen oder entfernen, um zu sehen, was passiert.

Während viele Leiterplattenentwürfe Kompromisse beinhalten, sollten Sie keine Kompromisse eingehen, es sei denn, Sie müssen dies unbedingt tun. Auf diese Weise haben Sie weniger Kopfschmerzen und verlieren weniger Haare.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass ich das Thema der Impedanzänderungen aufgrund der Aufteilung vollständig beschönigt habe und was dies bedeuten würde. Es ist zwar wichtig, aber nicht so wichtig wie das Minimieren der Loop-Fläche und des Materials. Das Verstehen des Schleifenbereichs ist viel einfacher als das Verstehen, wie sich die Impedanzänderungen auf die Signalintegrität auswirken.

Ich muss einiges an konventioneller Weisheit an den Randstein treten. Zumindest für die HF-Karten, die ich gemacht habe, habe ich festgestellt, dass die Leistung verbessert wird, indem keine getrennten Gründe für Analog und Digital vorliegen. Die Verwendung einer festen Erdungsebene und das Ausführen von Erdungsebenen, um einen Pfad mit niedriger Induktivität / niedrigem Widerstand zu einem einzelnen einheitlichen Erdungsknoten zu halten, hat sich für die von mir entwickelten Produkttypen, hauptsächlich kleine (Handheld) und hochfrequente (Empfänger) Produkte, besser bewährt und Sender im 500 MHz-Bereich und höher.

Normalerweise verwende ich keine Leistungsebenen, da es nicht viel Leiterbahnbreite erfordert, um einen Leiterbahn-IR-Spannungsabfall in den Mikrovolt-Bereich zu bringen, und ich hätte dort lieber Masse.

Nur ein anderer Ansatz.

Man könnte fragen - warum geht ein Taktsignal in den analogen Bereich? Vielleicht müssen Sie Ihre Flugzeuge weiterentwickeln, um die digitalen Seiten Ihrer DAC / ADCs mit digitalem Boden zu versorgen (ich gehe davon aus, dass 'was hier los ist.)

Uhren sollten nicht durch Durchkontaktierungen gehen. Es gibt einen Induktivitäts- und Kapazitätspreis, den Sie bezahlen, wenn Sie Durchkontaktierungen verwenden, und wenn Ihre Taktfrequenz zunimmt, wird Sie dies letztendlich beißen. Es erzwingt auch die Rückströme der Uhr durch eine Entkopplungskappe. Es ist wirklich die beste Methode, die Uhr auf einer Ebene zu halten.

Dies ist zusätzlich zu den oben genannten Ratschlägen.

Abhängig von der Geschwindigkeit der Uhr und ihrem Routing würde ich erwarten, dass Sie davon profitieren könnten, wenn Sie sie durch ein Gerät an der Grenze der beiden Ebenen leiten, dessen Eingang relativ zur digitalen Ebene und dessen Ausgang relativ zu ist die analoge Ebene. Wenn der Takt für viele Zwecke verwendet wird, können Sie ihn auch dort ansteuern, sodass nur die Taktimpulse, die tatsächlich für den ADC relevant sind, die Grenze passieren.

Das Routen Ihrer Uhr über Split-Power-Flugzeuge wirkt sich negativ aus. Wie einige andere bereits erwähnt haben, ist es besser, eine feste Erdungsebene zu verwenden und Ihr analoges und digitales Routing zu unterteilen, um sie isoliert zu halten. Ich wäre besorgt über EMI, wenn Ihre Uhr über eine geteilte Ebene läuft (sieht aus wie eine Schlitzantenne), und Sie könnten erwägen, für Ihre Taktleitung von serieller Terminierung auf parallele zu wechseln.

Ich sage nicht, dass das Überqueren von geteilten Flugzeugen in dieser Art von Konfiguration nicht möglich ist, aber Sie sollten darauf achten, dass das Risiko besteht, dass Sie nicht leicht quantifizieren können.

Wenn Sie Ihr Layout so beibehalten möchten, wie es ist, möchte ich in einigen App-Hinweisen der ADC-Mitarbeiter wie Analog Devices (oder Ihres ADC-Vendor-Chips) sehen, welche Empfehlungen sie für diese Art von Split-Plane-Layout haben.

Leider treiben die elektrischen Felder die Elektronen dazu, ALLE möglichen Rückwege zu erkunden , die proportional zur Leitfähigkeit sind (Suszeptanz für Wechselstromsignale).

Ja, einige Pfade werden wegen der niedrigeren Impedanz bevorzugt. Aber einige Elektronen werden immer noch andere Pfade nehmen, weil diese anderen Pfade existieren.

Bei Frequenzen weit über der Hautfrequenz (5 MHz für 35 Mikron 1 Unze / Fuß ^ 2) haben die Elektronen keine Zeit, die Folie zu durchdringen, und bleiben (meistens) auf einer Seite. Bei 20 MHz haben Sie 2 SkinDepths oder 2 * 8,9 dB = 18 dB Reduktion (fast 10: 1). Bei 80 MHz haben Sie 4 SkinDepths oder 4 * 8,9 dB = 36 dB Reduktion (fast 180: 1). Bei 320 MHz (möglicherweise 1-Nanosekunde-Flanke) haben Sie 8 SkinDepths oder 8 * 8,9 dB = 72 dB Reduktion (über 30.000: 1).

Beachten Sie, dass sich NOCH Elektronen durch die Folie zu der von Ihrer Aggressorspur abgewandten Seite bewegen. Es gibt immer noch einen Tropfen auf dieser "ruhigen" Seite des Flugzeugs.