Gürültü Coupling'i Azmak için Optimizing Power ve Ground Plane Segmentasyon için Stratejiler

Güç ve zemin uçaklar arasındaki gürültü, yüksek hızlı dijital, RF ve karışık-signal PCB tasarımının en kalıcı zorluklarından biri olmaya devam ediyor.Veri oranları tırmanma ve gerilimler azaltılırken, küçük miktarlar çift gürültünün gecikmeli sinyal bütünlüğünün düşmesine neden olur, zamanlama hatalarına veya radyo alıcılarının optimizasyonuna yardımcı olur. Proper segmenti hassas olanlardan gürültülü devrelerin kapatılması için kanıtlanmış bir tekniktir, ancak istenmeyen antenler oluşturmadan kaçınmak için dikkatli bir şekilde uygulanmalıdır.

Güç ve Yeraltı Gürültülerinin Temelleri

Çok katmanlı bir PCB'de, sağlam güç ve zemin uçaklar, yüksek hızlı sinyaller için düşük hızlı yollara geri dönüş yolları sağlar ve DC gücünü minimum IR damlasıyla dağıtmanız gerekir.Ancak, bu uçaklar aynı zamanda alternatif bir rotayı da bulmalı ve boşluk resonörleri.Bir geçiş devreleri güç uçaktan geçici bir akım aldığında, özellikle de bir uzay aracının uzunluğuna doğru giden frekanslarda geri dönüş yolu bir boşluk veya slotla kesintiye uğratmalıdır.

Segmentasyon, sürekli bir uçağın elektriksel olarak izole veya kısmen izole bölgelere bölünmesini içerir. Hedef, bölgeler arasındaki sinyallerin yüksek frekanslı gürültüyü yerel alana kadar engellemek, dağıtım yoluyla, hassas analog giriş aşamalarını veya düşük devre dışı bırakmak için yönlendirmeyi gerektirir.

Etkili Güç ve Zemin Planları için Stratejiler

Segment based on Fonksiyonel Blocks

En temel strateji, birincil devre işlevine göre güç ve zemin uçaklarını bölmek: analog, dijital, RF, güç yönetimi ve I/O. Her işlevsel blok genellikle özel bir gerilim domaini kullanır ve farklı gürültü toleransı sağlar. Örneğin, bir dijital işlemci birkaç yüz milivoltaik gürültüyü geçebilirken, analog bir dönüştürücünün 1 mV'nin altında bir güç tedarikini gerektirdiğini engelleyebilir.

Pratik uygulama genellikle "yıldız" veya "daisy-chain" güç dağıtım için topoloji içerir. Ortak bir yaklaşım, ana güç girişinin merkezi bir düzenleyiciye yol açıyor, sonra geniş bakır izlerini veya birden fazla vias kullanarak bireysel uçak adalarına hayran.Her ada aynı şekilde kendi düşük kesinti yolu ile düzenleyiciye bağlanır.

Segmentler arasında eşitlemeyi Sağlayın

Uçak segmentleri arasındaki fiziksel boşluk kritiktir. Boşluk çok küçükse, parasitik kapasitans sınırdaki birkaç gürültüyü seçebilir.Eğer çok büyükse, boşluk bir yuva anteni olarak hareket edebilir, radiating veya alma enerjisi alır.Bir dizi parmaklık, ayrılığın en az 10 milyon millik analog devreler için minimum 10 mm olması gerekir ve 50 mm'ye kadar (1.27 mm) yüksek hızlı dijital veya RF bölümler için verilen bir hedef için en iyi şekilde cevap verebilir.

1 GHz'in üzerindeki frekanslar için, küçük bir boşluk bile gürültülü bloklar etrafında önemli bir engel sunabilir, bu tür durumlarda, segmentli uçaklar genellikle dikkatli bir bileşen yerleştirme ve izole güç adaları ile sürekli bir zemin uçağın lehine kaçınılır. segmentasyon kaçınılmaz olduğunda, eğimli kenarlar boyunca bir "moat" kullanmayı düşünün.

Breaks ve Slots kasıtlı olarak kullanın

Kıyır (gaps) ve güç veya zemin düzleminde yuvalar, mevcut geri dönüş akımlarını ve izole bölümlere rehberlik etmek için kullanılabilir.Her mola, sürekli zemin referanslarının tüm yüksek hız sinyalleridir.Eğer bir işaret bir bitişik zemin veya güç uçağında bir yuvadan geçmelidir, geri dönüş noktasının etrafındaki bir "stitching köprü" veya çoklu yer radyasyonu önlemek için.

Bazı tasarımlarda, kasıtlı olarak küçük bir yuva eklemek hassas bir bölümden gürültülü bir güç adasını izole edebilir. slot mümkün olduğunca kısa olmalıdır ve mevcut akışa perpendicular yerleştirmelidir. L- şekilli veya U- şekilli yuvalardan kaçının, çünkü bu yeniden şekillendirilebilir yapılar, belirli frekanslarda yayılabilir.Eğer bir yuva kaçınılmazsa, radyasyonun yakın olduğu yerde onu bulmak mümkün olduğunca az olasıdır.

Via Fencing ve Guard Ringleri

Viakkküt, hassas veya gürültülü bir devre bloğu etrafında bir zemin koymak için bir tekniktir.Ins the top-katlı zemini iç zemin uçağa bağlar, FR4'te bir sanal "uzman" oluşturmak ve boşluk resonance azaltır.En iyi performans için, üç ila 4 mm arasında bir çift sıra dışı durmalıdır. Örneğin, FR4'te ⁇ /20 oluşturmak daha iyi bir şekilde.

Güvenlik halkaları benzer ama aynı PCB katmanında yer alan bölgelerde bakır yüzük (tarafa bağlı) kullanabilir; yüzüğün aşağıdaki uçağa bağlantıları olduğundan emin olun.

Gürültü Paths'ı Minik İçin Güç Dağıtımı

Power dağıtım ağları (PDNs) mevcut yerelleri geçiş tutmak için tasarlanmıştır. Her gerilim domaini için özel güç adaları kullanın ve bunları ICs'e yakın olan yerel dekouplingingler veya kısa plan köprüler arasında doğrudan yer alan yerel eğimli yollar ile bağlantı kurun.

Segmentasyon aynı zamanda zemin uçağa uygulanabilir, ancak büyük bir uyarı ile. Zemin uçağını bölmek gürültülü geri dönüş akımlarını da izole edebilir, aynı zamanda sinyal geri dönüş yollarını bozabilir. daha iyi bir yaklaşım tek bir sürekli zemin düzlemi (veya en azından sağlam bir zemin katmanı) tutmak ve güç uçak segmenti kullanmak, düşük girişli bir referans sağlamak için zemin uçağa güvenmek için zemine bağlıdır.

TasarımDüşündürmeler ve Ortak Pitfalls

Return Path Integrity

Her yüksek hızlı sinyal doğrudan iz altında geri dönüş yolu olmalı, genellikle bir bitişik zeminde bir zeminde bir yuva üzerinde.Eğer bir iz segmente girseydi, geri dönüş akımı sabitlenebilir ve 1 μF'ye kadar büyük bir döngü oluşturabilir. İki zemin segmentini geçiş noktasının yakınında tutmak için, bir zemin veya güç uçağını kullanmak için bir yuvayı kullanın.

Unintentional Slot Antenlerinden Kaçınmak

Güç veya zemin uçaklardaki uzun slotlar, uzun süre ayarlandığında frekanslarda yeniden ortaya çıkabilir.Bir slot yarım dalga uzunluğunda bir güç adası olur, küçük köprüler veya dikmeler ile daha kısa bölümlere bağlanır.Bunu önlemek için, tüm yuvaları elektrik tahtadaki en yüksek frekansta tutmak.

Capacitors ve Grounding

Sinyaller veya güç segmente edilmiş uçak bölgeleri arasında geçmelidir, düşük eşdeğer seriler ile şarj edilebilir (ESL), DC izolasyonu (eğer gerekliyse) Sabitler, geçiş noktası için mümkün olduğunca yakın olmalıdır.Inktörler, her bir zemin referans ve dijital nedenlerle ayrı bir köprünün altında, tek bir köprünün altındaki iki siperatöre kadar, tek bir zeminde (örneğin) bir tek bir köprünün altında, bir tek köprünün altındaki bir sabit nokta olarak, bir sabit nokta olarak, bir sabitlenebilir.

Simülasyon ve Doğrulama

Uçak segmentasyonunun karmaşıklığı göz önüne alındığında, sadece kurallara dayanan- Cardano, her segment için PDN yönlendirme profilleri (örneğin, Ansys HFSS, CST Studio veya Keysight ADS) uçağın geri dönüşlerini doğrulamanıza izin verir ve geri dönüş limitleri ile özdeşleştirilebilir.For RF tasarımları için, bir vektör analiz segmenti ve yeniden tasarlayan zirveler için kontrol edebilir.

Yüksek Hız ve Yüksek Lisans Tasarımları için İleri Teknikler

Multi-Layer Stackup Strategies

Birçok gerilim domaini ile karmaşık tasarımlarda, tek bir güç uçağı yeterli olmayabilir. Birden fazla güç uçak katmanını kullanmayı düşünün, her biri belirli bir gerilime adanmıştır, örneğin, 12 katmanlı bir yığın, GND, 1.8V, 3.3V, GND, 1.0V, GND, ve bu yüzden güç uçakları tedarik etmek için iyi kontrollü bir aktarma hattı oluşturmak için zeminle çakılmalıdır. Örneğin, 12 katmanlı bir yığınlama sürekli olarak zemin tutamaz - gerekli olmadıkça zemini ayıramaz.

Gömülü Capacitance

Daha fazla baskıya maruz kalmak için, yüksek frekanslarda AC eksikliğini azaltan ince dielektrik tabakaları kullanın, çünkü uçağın kendisi daha iyi bir gürültü filtresi haline gelir.

Diferansiyel Pair Segmented Bölgeler Üzerinden Geçti

Bir diferansiyel çift bir parçalanmış zemin uçağı geçmelidir, iki iz bir araya gelmeli ve birlikte yakınlaşmalıdır.Diferansiyel bir çift için geri dönüş ideal olarak sıfırdır (kommon-mode akımlar neredeyse sıfırdır), bu yüzden çift, tek yönlü sinyallerin altından daha az hassastır. ancak, izlerinizdeki herhangi bir asimmetri ortak modda, iyonize gürültüyü ortak noktaya dönüştürür ve bir dikişi korur.

Gerçek Dünya Örneği: Karma-Signal PCB

Yüksek hızlı bir FPGA (1.8V çekirdeği, 3.3V I/O), 12bit ADC (5V analog, 1.8V dijital), ve bir RF amplifikatörü (3.3V) Segment olmadan, ADC analog tedarikinden gürültüyü kontrol edin, her bir analog zeminde bir dizi ana izolasyonu kullanarak ana izolasyonu azaltın.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

RF: Güç ve zemin düzlem segmentasyonu, yüksek performanslı PCB'lerde gürültüyü azaltmak için güçlü ama çıplak bir tekniktir. Etkili segmentasyon, geri dönüş yollarının açık bir şekilde anlaşılması gerektirir, dikkatli bir şekilde bölme, boşlukların ve optimizasyon kullanımı ile ilgili olarak, modern simülasyon araçları ve en iyi düzeltilmiş hava koşullarıyla ilgili olarak, yüksek çözünürlükte belirtilen stratejileri uygulamaktadır.