La progettazione di schede di circuiti stampate ad alta velocità (PCBs) è una disciplina complessa in cui l'integrità del segnale e la compatibilità elettromagnetica (EMC) sono fondamentali. Tra le molte considerazioni di layout, la segmentazione del piano terra si distingue come una tecnica critica per la gestione del rumore, il controllo della crosstalk, e la soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Fondamenti della Segmentazione Piani Terrestri

La segmentazione del piano terra si riferisce alla divisione intenzionale di uno strato di rame continuo in regioni isolate o semi-isolate. L'obiettivo primario è quello di controllare i percorsi correnti di ritorno e prevenire il rumore da un blocco di circuito (ad esempio, un processore digitale) da contaminare le sezioni analogiche o RF sensibili. Un piano terra solido e ininterrotto è ideale per la maggior parte dei progetti ad alta velocità, perché offre l'impedenza più bassa e fornisce un riferimento coerente.

Corrente di ritorno in una traccia ad alta velocità scorre direttamente sotto il percorso del segnale sul piano di riferimento più vicino. Se questo piano è segmentato, la corrente di ritorno deve deviare intorno al gap, creando una grande area di loop che aumenta la induttanza, le emissioni irradiate e la vulnerabilità ai campi esterni. Pertanto, la segmentazione deve essere eseguita con cura: ogni taglio nel piano terra deve essere accompagnato da un piano deliberato per come le correnti di ritorno colmare il divario.

Tecniche chiave per la segmentazione di piani terra efficaci

Segmentazione da blocchi funzionali

L'applicazione più comune della segmentazione del piano terra sta separando sezioni analogiche e digitali di una scheda mista-segnale. I circuiti analogici (come ADC, op-amps, o amplificatori RF) sono sensibili al rumore di commutazione generato da logica digitale, orologi e convertitori di potenza.

Percorso di tutti i segnali che attraversano il confine sopra il divario utilizzando tracce che sono riferite a un piano continuo (ad esempio, un piano di alimentazione) o fornire un ponte con un piccolo collegamento di terra tramite un resistore zero-ohm o un tallone ferrite.

Via terra e via Stitching

Il campo tramite la cucitura comporta l'inserimento di più piani lungo i bordi delle aree segmentate, vicino alle transizioni del segnale e intorno ai cuscinetti dei componenti ad alta velocità. Il senso tramite gli array riduce l'effettiva induttanza del collegamento a terra, migliorando le prestazioni ad alta frequenza del piano di riferimento.

Nel contesto della segmentazione piana terra, le vie sono utilizzate per cucire insieme diverse isole di terra che devono rimanere allo stesso potenziale DC ma hanno bisogno di isolamento a determinate frequenze. Posizionando una serie di via lungo il bordo di un'isola segmentata, si crea una recinzione virtuale che sopprime la radiazione bordo e riduce l'accoppiamento tra le regioni adiacenti. Questa tecnica, spesso chiamata "via recinzione" o "guard via", è particolarmente efficace per l'isolamento di tracce di tempo o di distanza.

Controllo della larghezza e dell'impedenza del segmento

I segmenti piani terra non sono semplicemente isole di rame; la loro geometria influisce direttamente sull'impedenza e sull'accoppiamento del rumore. Le tracce o segmenti di terra stretti agiscono come induttori, aumentando l'impedenza alle alte frequenze e creando gocce di tensione che possono degradare l'integrità del segnale.

Se un microstrip traccia transizioni da una solida zona di terra a una regione segmentata, la sua caratteristica impedenza cambia, causando riflessi. Per mitigare questo, assicurarsi che il piano di riferimento della traccia rimane coerente sotto di esso. Se la segmentazione è inevitabile, la traccia deve attraversare il divario perpendicolarmente, e il divario stesso dovrebbe essere il più stretto possibile.

Guardia di terra e scudo

Le guardie di terra sono tracciate in rame o aree di versamento che circondano linee di segnale sensibili, che agiscono come scudi locali. In un piano di terra segmentato, le guardie possono essere utilizzate per isolare ulteriormente una rete critica dalle tracce rumorose adiacenti. Una tecnica comune è quella di tracciare una traccia di guardia a terra su entrambi i lati di un segnale analogico sensibile, collegando la guardia al segmento di terra analogico a entrambe le estremità.

Un'altra forma di guardia di terra è l'uso di rame riempito con terra attraverso il perimetro di una regione ad alta velocità. Questa tecnica, a volte chiamata "stitching the edge" o "copper pour con via cuciture", sopprime la radiazione del bordo e riduce la possibilità di antenne di slot che formano ai confini dei segmenti di piano terra. Quando si implementa una guardia di terra, assicura che la guardia è collegata al piano terra più alto con un numero sufficiente di frequenze 20, tipicamente distanziato a 1 onda a onda a 1

Minimizzanti incroci e involontà di accoppiamento

Uno degli errori più comuni nella segmentazione del piano terra permette di attraversare più segmenti senza una corretta pianificazione del percorso di ritorno. Ogni volta che una traccia attraversa un divario nel piano di riferimento, la corrente di ritorno deve trovare un percorso alternativo, spesso attraverso piani di potenza o altri livelli di segnale, creando grandi loop. Per minimizzare i passaggi, tracciare tutti i segnali all'interno di un blocco funzionale interamente sul segmento di terra del blocco.

Mantenere una distanza di almeno 0,5 mm tra segmenti di terra per le schede che operano sotto 1 GHz, e aumentare la spaziatura per frequenze più alte. Nei disegni misti-segnali, una fessura di terra (una stretta) tra le sezioni analogiche e digitali è comune, ma la sua lunghezza deve essere mantenuta breve per evitare di agire come una traccia di antenna.

Considerazioni avanzate

Design misto: Single-Point vs. Split Ground

In PCB misti-segno, la decisione tra un unico piano terra solido e segmenti di terra separati è stata discussa per decenni. Moderni ADC ad alta velocità e DAC spesso raccomandano un unico piano terreno robusto sotto il dispositivo, con i pin di alimentazione analogici e digitali collegati a piani di alimentazione separati. Il piano terra rimane continuo, e la separazione del rumore è raggiunta attraverso il posizionamento dei componenti fisici, filtraggio di potenza e un'attenta immissione del rumore.

Aeree e condensatori di cucitura

Quando la segmentazione del piano terra è necessaria per l'isolamento DC (ad esempio, alimentatori isolati o confini di isolamento medico), i piani divisi sono utilizzati con un ampio divario che impedisce il flusso di corrente DC. Per i segnali ad alta velocità che devono attraversare questa barriera di isolamento, optocoupler, condensatori o trasformatori sono utilizzati.

Via Stubs e Anti-Pads

Per ottenere una maggiore flessibilità, i grandi strati di rame devono essere ridotti al minimo. Un altro importante dettaglio è quello di evitare che gli strati di rame siano sufficientemente bassi.

Simulazione e verifica

Considerata la complessità della segmentazione del piano terra e il suo impatto sui segnali ad alta velocità, basandosi esclusivamente sulle regole del pollice è rischioso. I moderni strumenti di simulazione del PCB (ad esempio, Ansys SIwave, Keysight ADS, o gli strumenti SI di Altium) possono modellare il comportamento elettromagnetico dei piani segmentati, mostrando i percorsi di ritorno, le variazioni di impedenza e le radiazioni di slot.

  • Preferire un piano terra unico e continuo[[] quando possibile. Solo segmento quando necessario per isolare i domini di rumore, e sempre fornire un percorso di ritorno a bassa induttanza per segnali che attraversano segmenti.
  • I confini di segmentazione dei pilastri lungo linee funzionali del blocco. Tenere sezioni analogiche, digitali e RF su isole di terra separate con una connessione a un punto al dispositivo mista-segnale.
  • Utilizzando denso tramite cuciture[ intorno ai bordi del segmento e vicino alle vie del segnale per minimizzare l'impedenza del terreno e sopprimere la radiazione del bordo.
  • Le larghezze del segmento di maneggevolezza e evitano tracce strette. Le ampie aree di rame minimizzano l'induttanza e mantengono un riferimento stabile per i segnali di sovrapposizione.
  • Providere ponti a terra o condensatori di cucitura[[] per tracce che attraversano le lacune, e garantire che il divario sia il più stretto possibile per ridurre le discontinuità di impedenza.
  • Segnali ad alta velocità instradati interamente all'interno del loro segmento di terra funzionale[ ogni volta che possibile.
  • Utilizzare le guardie di terra e via recinzioni[] per isolare i segnali critici e ridurre la crosstalk.
  • Simula il design[[] con strumenti di simulazione elettromagnetica per convalidare le correnti di ritorno, l'impedenza e le emissioni prima della produzione.
  • Back-drill via stubs[[]] o utilizzare vie cieche/buried per evitare risonanze in percorsi ad alta frequenza.

Conclusioni

La segmentazione del piano terra è uno strumento potente per la gestione del rumore e dell'integrità del segnale in PCB ad alta velocità, ma deve essere applicato con una comprensione approfondita della fisica e del layout di rendimento corrente. Quando fatto correttamente, la segmentazione isola le sorgenti di rumore, riduce l'IME, e consente circuiti misti-segno per coesistere senza interferenze.

Per ulteriori informazioni sul design PCB ad alta velocità e sulla segmentazione del piano terra, consultare risorse come []La guida di Altium sulla divisione del piano terra[], ]] Gli articoli di giornale di integrità segnale sugli aerei di terra, e i documenti IEEE su