Используйте земляной полигон всегда, когда это возможно. Советы и рекомендации по компоновке печатных плат
В данной статье обсуждается важность правильных методов использования земли при проектировании печатных плат.
Связанная информация
Я не отрицаю, что можно разработать печатную плату без слоя земли, и во многих случаях вы можете таким способом создать полностью рабочую плату (или, по крайней мере, она будет полностью рабочей при работе в благоприятной среде). И хотя, на мой взгляд, есть несколько ситуаций, в которых выполнение соединений земли с помощью обычных дорожек является неплохой идеей, но полигоны земли – это простой способ улучшить производительность и предотвратить проблемы.
Медь – это резистор
В принципиальных схемах провода идеальны, но в реальной жизни таких проводов нет (если кто-то не начал производство печатных плат, используя сверхпроводники...). Физические соединения, включая проводники на печатных платах, представляют собой резисторы с низким значением. Тот факт, что мы часто можем игнорировать это сопротивление соединений, не означает, что оно не влияет на работу схемы. На странице 8 этого документа, опубликованного Analog Devices, автор демонстрирует, что 5-сантиметровая дорожка печатной платы может вносить в оцифрованные значения, генерируемые 16-разрядным АЦП, ошибки, превышающие 1 младший бит.
\[R= \rho \cdot {L \over T \cdot W} \cdot \left[ 1 + \alpha \cdot (temp - 25) \right]\]
Во многих случаях мы мало что можем сделать, чтобы смягчить влияние сопротивления сигнального проводника: крошечные микросхемы и стремление к миниатюризации схемы часто приводят к переполненным слоям, которые не допускают широких проводников или оптимального размещения компонентов. Однако мы можем улучшить общую ситуацию, используя полигон земли, который уменьшает сопротивление обратного пути.
Это уменьшенное сопротивление обратного пути является фундаментальным преимуществом включения земляного полигона в вашу печатную плату. Он уменьшает шум, вызванный колебаниями обратного тока, и устанавливает более равномерное напряжение земли (поскольку меньшее сопротивление означает меньшее падение напряжения между физически разделенными частями сети земли). Отдав земле целый слой и соединив с помощью переходных отверстий с ним всё, вы сделаете физически реализованную схему более похожей на идеализированную схему на чертеже принципиальной схемы.
Проще и меньше
Земляной полигон улучшает электрические характеристики вашей схемы, одновременно упрощая задачу компоновки и в некоторых случаях уменьшая размер вашей печатной платы. Я не буду останавливаться на этих аспектах, потому что думаю, что они более или менее говорят сами за себя. Полигон позволяет вам получить доступ к сети земли в любом месте, где вы можете сделать переходное отверстие – а сделать переходное отверстие гораздо проще, чем проложить проводник земли через запутанный набор дорожек, полигонов меди и микросхем с мелким шагом выводов.
Эта улучшенная разводка может позволить вам сдвинуть компоненты ближе друг к другу и, таким образом, уменьшить размер платы, хотя есть также вероятность того, что плата в конечном итоге станет больше, если из-за полигона земли вы потеряете один из двух слоев для компонентов (к этому я еще вернусь к концу статьи).
Избегайте земляных петель
По моему опыту, термин «земляная петля» может относиться к любой ситуации, в которой на систему влияет разница потенциалов у земли. Типовым примером является случай, когда два модуля соединены длинным кабелем, и обратный ток в кабеле приводит к тому, что напряжение земли одного модуля значительно выше, чем напряжение земли другого модуля. Однако в этом обсуждении я имею в виду конкретно петлю из проводников земли; например:
Если вам необходимо выполнить много соединений с землей с помощью отдельных проводников на печатной плате, то вам не составит труда создать петлю, подобную показанной выше. Если вы читали мою статью о взаимной индуктивности, вы знаете, что такого рода проводящая петля является хорошим приемником магнитных помех.
Наличие земляного полигона не делает невозможным создание земляной петли, поскольку CAD-программа не помешает вам рисовать дорожки между точками соединения с землей. Но если вы соединения с землей выполняете последовательно, используя переходные отверстия, проблема должна в значительной степени исчезнуть: выводя переходные отверстия на полигон, вы создаете прямое соединение от компонента к точке земли, которая через низкое сопротивление соединяется ко всем остальным точкам земли в схеме.
Встроенный экран
Сплошной земляной полигон обеспечивает некоторую степень защиты от электромагнитных помех (как излучаемых, так и принимаемых). Я бы не стал полагаться на землю для решения всех проблем с электромагнитными помехами, особенно если у вас есть компоненты на обеих сторонах платы; тщательно спроектированный проводящий корпус был бы более эффективным. Тем не менее, всё немного помогает, и если вы беспокоитесь об электромагнитных помехах, у вас есть еще одна причина для включения полигона земли в компоновку вашей платы.
Конденсатор из полигонов на печатной плате
Это не главное преимущество, и оно применимо только к земляным полигонам, которые смежны с полигонами питания. Но думаю, это всё-таки стоит упомянуть. Земляной полигон, отделенный от полигона питания тонким диэлектриком, очень похож на конденсатор с параллельными пластинами, чем это и является. Эта структура добавляет к цепи источника питания небольшую распределенную емкость по всей вашей печатной плате, хотя она, конечно, не заменит блокировочные конденсаторы.
Практические препятствия
Я не могу представить сценарий, при котором четырехслойная печатная плата не имела бы земляного полигона. Предполагаю, что вполне возможно, что при очень плотной компоновки для нормальной разводки сигналов потребуются оба внутренних слоя, но, честно говоря, это кажется маловероятным: да, полигон занимает площадь платы, но за счет упрощения соединений с землей он также уменьшает общую площадь области разводки платы.
Гораздо более реалистичный сценарий состоит в том, что земляной полигон отбрасывается, потому что проблемы со временем или бюджетом приводят к выбору двухслойной платы. Теперь земляной полигон будет занимать один из двух слоев печатной платы. Действительно, стоит ли выделять слой под землю, если это означает, что почти все дорожки и компоненты перемещаются на один слой? На мой взгляд, да, всё же лучше добавить земляной полигон, если схема не настолько проста, что для организации земляных соединений вы можете использовать хорошо организованные дорожки с низким сопротивлением. Но, честно говоря, если ваши ограничения по размеру настолько сильны, что вы не можете сделать плату достаточно большой, чтобы разместить земляной полигон снизу, а аккуратную компоновку сверху, вам стоит перейти к четырехслойной плате.
Резюме
Добавление слоя с земляным полигоном на печатную плату – это простой, недорогой, высокоэффективный способ проектирования электронных устройств, которые имеют лучшую целостность сигнала, бо́льшую аккуратность и бо́льшую устойчивость к помехам. Если вы еще не привыкли использовать слой с полигоном земли, вспомните о его преимуществах, когда придет время разрабатывать следующую плату.