Yüksek Hızlı PCB Tasarımlarında Yer Planlarının Eleştirel Rolü

Yüksek hızlı dijital tasarımda, sinyal bütünlüğü güvenilir sistemin işleyişinin yatak ayağıdır.Sağ oranları arttıkça ve gerilim marjları küçülür, baskılı devre (PCB) elektromanyetik müdahaleyi (EMI), saptattığı ve zemini ortadan kaldırır.Bu makale, temel tekniklerin, zemin uçakların kasıtlı olarak uygulanmasıdır.

Tam olarak bir Ground Plane Nedir?

Bir zemin uçağı, düşük frekanslı tasarımlarda, zemin bağlantısının basit bir iz veya yıldız noktası konfigürasyonu olması için büyük bir bakır alanıdır. Ancak yüksek frekanslarda (tipik olarak 10 MHz'in üzerinde ve özellikle de alt-nanosaniyeli artış süreleri ile) zemin düzlem, sinyallerin davranışını düzenleyen temel bir unsur haline gelir.

Bir zemin uçağın anahtar özelliği, sinyal izlerini ve geri dönüş yolundan kaynaklanan düşük hızlıdır.Bir bakır uçağı, geri dönüş akımı için geniş, düşük giriş yolu sunar.Bu kritiktir, çünkü yüksek hızlı sinyaller aslında elektromanyetik dalgalar sinyal izlerini ve sinyal bozulması ile ortaya çıkıyor.

Return Currents Fiziki

Düşük frekanslarda, mevcut en az direnç yolunu takip eder. Yüksek frekanslarda, en az indüktif baskınların yolu, bir zemin uçağın üzerinde sinyal izi için, geri dönüş akımı doğrudan sinyal izi, sinyal izlerinin altında yoğunlaşır, döngü alanına en yakınlaştırır, kendini en yüksek frekanslara ve manyetik radyasyona düşürür.

Bir zemin uçağı kırıldığında veya eksik olduğunda, geri dönüş akımı alternatif bir rota bulmak zorunda kalır, genellikle büyük mevcut döngüler yaratır. Bu döngüler antenler olarak hareket eder, enerji ve darbe gürültüyü bitişik devrelere sokabilir.

Yüksek Hızlı Tasarımlarda Yer Planlarının Faydaları

Katı zemin uçaklarının entegrasyonunun avantajları basit sinyal geri dönüşünün ötesine geçerler. PCB performansının her yönünü dokunurlar.

Az önce elektrotoksisiteyi azalttı (EMI)

Düşük bir geri dönüş yolunu sağlayarak, zemin uçaklar, sinyal akımları tarafından üretilen elektrik ve manyetik alanları içerir. Uçak, kalkan olarak çalışır, boş alana veya başka izlere darbe yapmak için alanları engeller.Tarımsal emisyonlar için düzenlemeler, sürekli zemin uçaklarla elde etmek için çok daha kolay hale gelir.

Geliştirilmiş Signal Integrity

Signal bütünlüğü doğrudan geri dönüş yolundan bağlıdır. Katı bir zemin uçağı, iletim hatları için tutarlı bir özelliktir (mikrostrip, striptizci), minimin yansımaları ve sinyal kaybı. Ayrıca, ekspek işaret izlerini kullanarak haçı azaltır ve kalkanı sağlar.

Geliştirilmiş Güç Dağıtımı

Ground uçaklar, güç rayları ile birlikte, yüksek frekanslı gürültüyü güç demiryolundan dağıtmaya yardımcı olan sabit bir güç dağıtım ağına katkıda bulunurlar.

Termal Yönetim

Bakır mükemmel bir termal iletkendir. Ground uçaklar, işlemciler, güç yükselteçleri ve gerilim düzenleyicileri gibi sıcak bileşenlerden ısınır.Köpekler zemin uçaktan ısıyı verimli bir şekilde yürütebilir, kavim sıcaklıklarını azaltır ve güvenilirliğini artırabilir.

Etkili Zemin Planları için Tasarım

Bir zemin uçağını uygulamak sadece bakır dökme meselesi değildir. Çeşitli kritik faktörler etkinliğini belirler.

Süreklilik Her şeyden Önce

Tek en önemli kural, zemin düzlemde sürekli olarak devam etmek. Herhangi bir mola - bir boşluk, bir bölme - yüksek hacimli bir engel sunmak için, sinyal izlerinin her iki tarafında da sürekli bir bağlantı gördüğünde, köprüyü veya radyasyonu artıran büyük bir döngü oluşturmak gerekir.Eğer bir ayrılık kaçınılmazsa (örneğin, analog ve dijital nedenlerle), geçiş yolu ile geçiş yolulanmalıdır.

Katman Stackup ve Plane Placement

Çok katmanlı bir PCB'de, zemin uçaklar sinyal tabakalarına bitişik olmalıdır. dört katmanlı bir tahta için, tipik bir yığınlama: Signal 1, Ground, Power, Signal 2. Zemin kontrolleri hem sinyal katmanları için geri dönüş yolunu sağlar ve güç uçağı, yüksek frekanslı bir betondan onları birbirine bağlayan dikme ile zemine kadar kullanılabilir.

Via Stitching for Low-Impedance Transitions

Katmanlar arasında geçiş yaparken, zemin referansı da geçiş gerekir. Bu sadece yakındaki bir zemin olmadan sinyal izlerini büyük bir döngü yaratır.Her zaman sinyale bitişik olarak yer alan zeminler (1-2 mm) geri dönüş için düşük girişli bir yol sağlamak için.Bu özellikle yüksek hızda çiftler için kritiktir ve yönetim kenarlarına yakın yüksek hızlı sinyalleri.

Bir viadükleme genellikle 1 nH per mm of long. Yüksek hızlı sinyaller için, birden çok paralel zemin vias, zemin uçaklarının bir dizi ile birlikte zemini azaltıp, bir Faraday kafes etkisi yaratır.

Kompiyon ve Ring Minimization

Yüksek hızlı bileşenler, özellikle saat kaynakları, tamponlar ve hafıza arabirimleri, zemin düzleme mümkün olduğunca yakın. Parçanın zemin ped ve uçaktaki mesafe (örneğin, yüzeydeki bileşenler için, zeminin altına alınması için birden fazla vias kullanın.Bu, QFN paketleri ve BGAs için zemin topları ile standart bir uygulamadır.

Yer Planlarını Uygulamak: Pratik Stratejiler

Uygulamaya yönelik teori, PCB düzenine bir metodolojik yaklaşım gerektirir.

Design Multi-Layer Boards with Private Planes

İki katmanlı tahtalar bazen alt tabakaya bir zeminden faydalanabiliyor olsa da, yüksek hızlı otobüsler için altoptimaldir.İki katmanlı tahtadaki geri yol genellikle engeller (düşükler, delikli pedler) üzerinde durmalıdır.

Solid Copper Alanlarını Mümkün Her Zaman Kullanın

Zemin uçaklar sağlam olmalıdır, bozulmamış bakır. "yeryüzü" nden kaçının, esnek devreler dışında bir zemin ızgaraları doldurmalısınız.Yer düzlem bağlantılarında konuşan herhangi bir termal rahatlama en azalanmalıdır (çok fazla uçlu veya yüksek hızlı zemin pinleri ile doğrudan termal bağlantıları kullanın).

Consistent Grounding Strategy Across the Design

Tüm zemin referansları tek bir noktada birlikte bağlanır, ya da daha pratik olarak, bir alanda düşük devreler aracılığıyla (veya sadece uçaktaki düşük dürtülere güven) bağlanmak için zemin uçağı bölmeden kaçınır. Modern en iyi uygulama, fiziksel olarak paylaşılan bir zeminden daha kötüdür: bir alanda analog devreler, bir köprüde dijital, ve sadece uçaktaki bir köprüyü kullanın (veya sadece uçaktaki boşluk) onları bağlantı kurmak için.

Geri Dönüş Yolunun İncelenmesi için Simulate

Üretimden önce elektromanyetik (EM) simülasyonlar veya alan çözücüleri geri dönüş yolunu tespit etmek için kullanır. Ansys SIwave, CST Studio veya hatta yerleşik 3D EM simülatörü tümegro ve Altium, problem alanlarını ortaya çıkarabilir.

Gelişmiş Ground Plane Teknikleri

Performansı daha ileri götürmek için, tasarımcılar uzmanlaşmış uygulamaları kullanırlar.

Seri Planes için Capacitors

Bir bölme zemin uçağı kaçınılmaz ise (örneğin, hassas sinyallere yakın bir şekilde yerleştirilen yüksek frekanslı kapasitör (tipik olarak 10-100 nF, düşük-ESL) ile bölünmüşlüğünüzün kapatılmasını sağlar. Bu, DC izolasyonunu korumak için düşük bir geri dönüş yolu sağlar.

Power Islands as Ground Referansları

Bazı durumlarda, sinyal katmanına karşı bir güç uçağı referanslandırmanız gerekebilir. Bu, VTT ve VREF'nin kullandığı güç düzleminde yaygındır. Aynı ilkeler geçerlidir: güç uçağı sürekli ve bitişik olmalıdır.

Mikrostrip ve Stripline

Ground uçaklar en yaygın iki iletim hattı yapısına integraldir.InETHFLT:0)microstrip), sinyal iz doğrudan bir zeminle dış katmanındadır (örneğin, bir dielektrik ile).InurFLT:2), sinyal iki zemin düzlem arasında sandviç yapılır.

Ortak Ground Plane Hataları ve Them'dan Nasıl Kaçınmak

Deneyimli tasarımcılar bile bu tuzaklara düşebilir.

  • [FONT:0] Uzun zamandır yerküreden uçaklara karşı ayak basılmış zemin uçaklar:[Döntgen: 1) Uzun bir sıra, zemin düzlemde yuvalar oluşturabilir. yüksek hızlı sinyaller için, bu yuvalara yakın hassas izlerini önlemek için.Eğer kaçınılmaz olursa, uçaktaki ekstra zemin pinleri kullanın.
  • [FONT:0]Running sinyalleri bir bölünme referansı üzerinde işaret eder:) Asla yere veya güç uçağında bir bölünmede yüksek hızlı bir iz aramayın.Mevcut geri dönüş boşluğun etrafında zorlanacaktır, artan döngü içi ve radyasyon.Eğer bir bölünmeyi geçerse, referans sürekli olarak sürekli olarak devam eden bir bitişik tabakaya geçiş.
  • [FONT:0) Zemin uçağın yüksek frekanslarda yetersiz kalması: 1 GHz'in üzerindeki frekanslarda, zemin uçağın kendisi indük ve direnişe sahiptir. Uçakın etkinliği, kalınlığına ve sinyal katmanına bağlıdır.
  • [FONT:0) BGA'lar altında yoğunluk olmadan yeterli: Zemin topları için birçok paket ince izleri veya tek bir tane ile bağlantılıdır. Modern BGAs, doğrudan iç uçağa bağlı olan tüm zemin toplarını doldurmalıdır.

Deeper Learning için Dış Kaynaklar

Daha fazla master zemin uçak tasarımı için, bu yazara atıfta bulun:

  • Analog cihazlar:0) Yüksek Hızlı PCB Tasarımında Zemin Geri Döndürme Sorunları Nasıl Kaçırılır).
  • Texas Instruments: 03:0) Signal Integrity için Yüksek Hızlandırma Kılavuzları[Dönemli: 1 )
  • IEEE Xplore: 03:0) Yüksek Hızlı PCB'lerde EMI'nin Azaltılması için Plane Optimizasyonu[Dönemli: 1)
  • Altium Kaynakları: [[0) PCB Layout'ta Zemin Planlarını Nasıl Kullanacağız[Dönem: 1)

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Zemin uçakları yüksek hızlı dijital tasarımda isteğe bağlı değildir - bunlar önemlidir. Düşük hızlı sinyallerin talep ettiği yollara geri dönülebilir, EMI'yi yasal sınırlarla tanışmak ve güvenilir bir işlem için sinyal bütünlüğü artırmak. Süreklilik sağlamakla, beton kanallarını dikmek için, zemin uçak uygulamanızı kullanarak, en değerli aletlerden biri olacaktır.