Чем грозят кольца земли? Опции

[Sun-AMI]

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

[bms]

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?

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.

[Sun-AMI]

«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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.