Во многих источниках читал, что для двухслойной платы при отсутствии сплошного слоя земли наиболее предпочтительна разводка цифровой земли в виде решетки, при этом свободные от трассировки участки платы заливаются полигонами, которые соединяются в решетчатую структуру цифровой земли взаимно перпендикулярными дорожками с низкой индуктивностью, проложенными с определённым шагом среди сигнальных цепей. Как вариант часть этой структуры может состоять из полигонов и шин питания, соединенных с землёй через конденсаторы. Однако я столкнулся с убеждением нескольких коллег, что кольца в разводке земли - источник проблем. Ни описать возможные проблемы , ни раскрыть механизм и условия их возникновения они не смогли. Их мнение основано на где-то когда-то прочитанных рекомендациях. Я также не нашел в сети подобных предостережений.
Вопрос к экспертам - какие поблемы могут вызвать кольцевые структуры в цепи цифровой земли и при каких условиях ? В часности что если в кольце цифровой земли находится большой участок с аналоговой схемой?

Сообщение отредактировал Sun-AMI - Aug 9 2013, 20:54

Отделяем мух от котлет...
Факт первый.
«Земля» - это цепь с наименьшим импедансом. Нет ничего менее импедансного, чем СПЛОШНОЙ полигон. Никакие «решетчатые структуры» из «низкоиндуктивных» дорожек здесь не годятся. Раньше это практиковали — да, но это было не от хорошей жизни. С появлением качественных плат от этого быстро отказались.
Дальше...
Кольца «земли» плохи тем, что трудно прогнозировать по какому пути будут течь возвратные токи, ибо, как Вы наверняка знаете, НЧ-токи текут по пути наименьшего сопротивления (где он в Вашем девайсе?), а ВЧ-токи — по пути наименьшей индуктивности (а этот путь Вы знаете?). Эти пути, как правило, не совпадают. Если импедансы цепей сравнимы — токи разделятся. Т. е., если путей возврата много — много индуктивных наводок, причем не только на аналоговые цепи — на цифровые тоже. Такие схемы плохо работают и хорошо излучают. Проблемы с ЭМС неизбежны.
И наконец...
Если Вы придумали разместить аналоговую схему на пути возврата цифрового тока - приготовьтесь узреть чудо. Потом, помыкавшись с этим чудом, прочитав «чёрную магию» и получив просветление Вы переделаете своё изделие в ПРАВИЛЬНОЕ так, что ни одна собака не заползет на аналоговую землю со стороны цифры.

На счёт отсутствия в сети рекомендаций по трассировке - не соглашусь. Инет ими забит. Посмотрите хотя бы здесь: www.elart.narod.ru
Ну и упомянутую выше книгу "Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии" никто не отменял. Есть и другие, но эта кажется самая известная.

Это для пайки, чтобы газам из-под металлизации выход облегчить. К схемотехнике отношения не имеет.

Я не эксперт, но мне кажется, что проблема земляных петель заключается в том, что получается короткозамкнутый виток. Чем больше площадь этого витка, тем "лучше" он "ловит". По краям этого витка начинают течь токи которые приводят. Понятно к чему они приводят. По этой же причине при соединении удаленных приборов заземление оплетки делается только на одном приборе. Иначе, опять-таки, кольцо с большой площадью и малым сопротивлением. И небольшие поля, пронизывающие этот виток, наводят значительные паразитные токи в оплетке. Эти токи вместо экранировки будут сами создавать помехи защищаемые провода.
Наверно, так.

Если представить мир, где никто еще не проектировал ПП и в котором нет людей способных вввести в гуглопоиск фразу "PCB ground loops", то самое время обратить внимание на слово "кольцо", вспомнить об возвратных токах и вообще о функции "земли", а после вспомнить уравнения Максвелла. Если лень- пара готовых объяснялок:


покороче
http://www.semtech.com/images/datasheet/pc...pression_ag.pdf

поподробнее
http://www.analog.com/library/analogdialog...pc%20issues.pdf


Кольца земли создают проблему почти всегда(за исключением разве что схемы на уровне курсовой работы- знаете модное нынче оскорбление:"сделать диплом"?На специфической почве взрастилось так сказать). Особенно это плохо в устройствах "из метрологии", силовых преобразователей, и любой "цифровой" борде уровнем вышем чем "атмега8 + фт232". Практический пример: встраиваемое решение с Intel Core i7 с его питанием(>150А) и еще до кучей всего. Там такими вещами как:

- ой многослойка дорогая, давайте сделаем на одной стороне а сдругой кинем провудом

- наши монтажники не могут запаять 0402

- не получается запаять бга с флюсом лти 120

и прочими вещами (согласен, не совсем из этой темы) там не побалуешься. К слову рекомендую также почитать о том почему нельзя просто вокнуть банок на побольше микрофарад чтобы сбить шум, зачем нужны 3 выводные конденсаторы, чем могут быть полезные синфазные индуктивности в DC и в чем разница в отношении паразитных параметров у конденсторов 0805 и 0402.

ПС.Прошу прощения у участников за возможный оффтоп.

Так все цепи в схеме кольца по сути. Вся схема состоит из контуров.
А бояться надо только контуров из сверхпроводников.

Ключевое слово " по сути"- все же есть определенная граница между теорией и практикой, хотя если смотреть как чисто электрическую схему то таки да- одни петли. Сам ток течет то по замкнутой цепи, эдакой петли- что уж тут еще добавить

Безусловно, с точки зрения ЭМС сплошной полигон земли - лучший выбор. Но он как правило требует как минимум 4-х слойной платы. А это оправдано далеко не всегда. Помимо увеличения стоимости за кв.дм. в 3 раза и бОльших сроков изготовления есть информация о низкой надёжности таких плат в условиях частых и больших перепадов температуры. Подробнее - здесь. Для плат площадью от 3 дм.кв. при частотах до 5 МГц применение 2-х слойных плат на мой взгляд оправдано в большинстве случаев.

Не очень понятно, чем плох случай с разными путями ВЧ и НЧ токов? В случае разделения токов одинаковых частот индуктивные наводки по-моему напротив уменьшатся, ведь на проводник, расположенный между двумя путями возвратных токов они действуют с разным знаком, а на внешние проводники влияние дальнего пути тока существенно меньше ближнего, а в ближнем течет только часть тока.

Эта часть моего вопроса касалась следующего случая: на 4-слойной плате 6U в cлое цифровой земли возле разъёмов на кросс-плату расположено несколько окон, в каждом из которых находится полигон аналоговой земли и аналоговая схема с аудио ЦАП/АЦП. Они разделены низкочастотными цепями UART, прерываний, сброса и т.п.. Такая компоновка обусловлена общей высокой плотностью трассировки. Мой спор с коллегами был относительно того, делать ли разрывы в кольцах цифровой земли вокруг полигонов аналоговой или нет(моя точка зрения). Эту компоновку и трассировку делал не я - я лишь давал рекомендации по её улучшению. Плата уже изготовлена с учетом моих рекомендаций и работает хорошо.
Что касается упомянутой Вами книги - я прочел её в 2007 году, правда без глубокого анализа приведенных в ней расчетов. Именно в этой книге я впервые встретил рекомендацию делать разводку питания и земли на 2-слойной плате в виде решетки (рис 5.10, стр.290 в русском издании 2006 года). Позднее пытаясь применить взятую из этой книги упрощенную формулу расчёта индуктивности для параллельных проводников круглого сечения столкнулся с ошибкой на 3(!) порядка. В общем, как и полагается при обучении чёрной магии, проверять нужно каждую формулу

Я говорил не об отсутсвии рекомендаций, а о том, что ни в одной из прочитанных мной двух десятков рекомендаций я не нашел предостережений против колец в разводке цифровой земли (искал специально). Напротив, Texas Insrtuments в PCB Design Guidelines For Reduced EMI рекомендует выполнять разводку питания и земли на 2-слойных платах в виде двух решеток (Figure 7) или описанной в стартовом посте разводке (Figure 8).
За ссылку спасибо.
Книга Джексона и Грэкхэма действительно очень ценный источник информации, однако она немного не о том. Она о ВЫСОКОСКОРОСНЫХ устройствах. Я же говорю об устройствах на микроконтроллерах ATmega, ATXmegа и STM32, внешние интерфейсы которых либо не способны работать на частотах выше 10 МГц, либо имеют программируемые схемы ограничения скорости нарастания напряжения на выходах.

"Скоростность" устройства определяется не столько тактовой частотой, сколько верхней частотой в спектре используемых сигналов. Или, другими словами, крутизной фронтов. Мне довелось как-то потратить несколько дней на выяснение причин нестабильной работы узла, работающего с темпом в 2 МГц. Корень зла оказался в ступеньке (иногда переходящей в зигзаг) на фронте тактового сигнала, возникающей из-за переотражений оного (некорректная разводка развесистым деревом) и отсутствия адекватного последовательного согласования.
Так что Джексон и Грехем и для вашего случая в силе.

Именно поэтому и нужно использовать возможности по ограничению крутизны фронтов, последовательные резисторы на выходах и подбирать не слишком скоростную логику для обвески.

Да, конечно, подобные эффекты нужно учитывать и в моём случае, и эта книга и здесь полезна. Я имел в виду, что большинство примеров у Джексона и Грехема подразумевают наличие сплошного слоя земли и питания, что связано с направленностью книги