Заземление в печатных платах

Подробности

Автор: EngineerDeveloper®

         При разработке любого как цифрового, так и аналогового устройства необходимо уделить серьёзное внимание цепям заземления. Необходимо учесть расположение земляных полигонов на самой ранней стадии разработки.

 

Разделение земель

         Разделение земель на аналоговую и цифровую части – это одно из самых известных правил при проектировании аналогово-цифровых устройств. То есть земляные полигоны для цифровой части должны быть отделены от земляных полигонов для аналоговой части устройства. Это объясняется тем, что обратные цифровые токи не должны протекать по земляным цепям аналоговых устройств и наоборот. В противном случае возникают нежелательные взаимные помехи в земляных цепях, что отражается на работе устройства в целом.

         Цепи аналоговой и цифровой земли стоит рассматривать как независимые цепи вплоть до источника питания, в источнике питания эти цепи должны быть объединены. Подобная «земляная» архитектура относится к простым аналого-цифровым устройствам с рабочими частотами не более 10 МГц. При трассировке более высокочастотных устройств архитектура разделения земель остаётся прежней, но необходимо также объединять земельные цепи и на самой плате. ВНИМАНИЕ! Автор подразумевает не использование единого аналого-цифрового полигона земли,  а применение объединения цепей  аналоговой и цифровой под такими интегрированными устройствами как, например: АЦП,  Кодеки и так далее. Обсуждение трассировки ПП с объединенными полигонами земли на плате рассмотрено ниже.

 

Другие правила при трассировки GNDA и GNDD:

- аналоговые шины питания должны находиться под аналоговой землёй и наоборот;

- располагайте аналоговые сигнальные цепи над аналоговой землёй, а цифровые сигнальные цепи над цифровой землёй (рис. 1);

- Как уже отмечалось, разделенные земли должны быть объединены в одном низкоимпедансном узле (рис.2). Так как правильная с точки зрения земли система имеет только одну землю, которая является выводом заземления систем питания сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем питания от постоянного напряжения (например, аккумулятор). Все земляные обратные токи должны приходить в эту точку. Такой точкой может послужить вывод корпуса устройства. Важно понимать, что при подсоединении общего вывода устройств в единую точку заземления могут образовываться земляные контуры.

- Используйте по возможности отдельные, независимые разъемы, предназначенные для передачи возвратных токов. Старение контактов, износ при частой расстыковки разъемов приведет к ухудшению работы устройства в целом.

- При компоновке печатной платы, располагайте  корпуса таким образом, чтобы отделить аналоговую и цифровую части.  Это поможет избежать многих проблем (рис. 3).

 

      Практически все тактовые сигналы являются достаточно высокочастотными, поэтому наличие даже небольшой емкостной связью между трассами может вызвать значительную взаимосвязь. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота способна вызвать неблагоприятное влияние на соседние цепи, но и её высшие гармоники. Для борьбы с взаимным влиянием устройств на плате необходимо компактное расположение с целью минимизации соединительных проводников. Так же одной из распространенных ошибок при трассировки аналоговой части печатных плат, является использование соединительных дорожек шире 1 мм с целью уменьшить сопротивление печатных проводников. Но в подобных случаях получается протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов.

         На рисунке 4 приведен пример удачного расположения компонентов на плате. Используется три отдельных полигона питания и земли: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Все цепи земли объединяются лишь только в источнике питания. В приведенной топологии высокочастотный шум отфильтровывается в цепях питания.

 

         Бывают так же случаи, когда необходимо объединить аналоговые и цифровые сигналы над областью аналогового земляного полигона. Это обуславливается тем, что АЦП и ЦАП производятся с двумя цепями заземления. То есть цифровой вывод заземления необходимо соединить с цифровой землёй и наоборот. Однако в данном случае это не так. Так ка название выводов «GNDD» и «GNDA» относится к внутренней структуре микросхемы. В схеме эти выводы должны быть подключены к полигонам аналоговой земли. В противном случае заявленные рабочие параметры микросхемы преобразователей будут заметно ухудшены.

         При трассировке печатной платы с АЦП и ЦАП необходимо серьёзно отнестись к развязывающим цепям цифрового питания микросхем на аналоговую землю.