Снижение уровня шума на двухсторонних печатных платах: многоточечная (сетчатая) разводка земли

Добавлено 15 октября 2019 в 04:40

Узнайте, как использовать сетчатый метод разводки земли для уменьшения шума на двухсторонней печатной плате.

Земляные слои на многослойных платах могут значительно улучшить шумовые характеристики схемы. С двухсторонней платой мы обычно не можем выделить слой под землю, и мы ожидаем, что будет больше шума и излучения помех. Из-за этого ограничения мы отдаем предпочтение многослойным платам, если только затраты не вынуждают нас использовать двухслойные.

Несмотря на то, что у нас нет слоя земли на двухслойной плате, всё еще существуют методы, которые можно использовать для улучшения характеристик схемы. В данной статье рассматривается техника разводки земли, которая позволяет нам реализовать эффективную схему земли для двухсторонней платы.

Как земляной слой может уменьшить шум на плате? Чтобы лучше понять работу технологии «земляной сетки», лучше сначала разобраться с работой слоя печатной платы с земляным полигоном. Если необходимо, то просмотрите статью о том, как земляной полигон уменьшает шумы на печатной плате, прежде чем двигаться дальше

Что такое слой сетчатой земли?

Земляная сетка создается сетью соединений земли через печатную плату. Например, как показано на рисунке 1, у нас может быть несколько горизонтальных земляных проводников на нижнем слое платы и несколько вертикальных земляных проводников на верхнем слое. Вдобавок ко всему, эти вертикальные и горизонтальные земляные проводники на пересечениях соединяются через переходные отверстия.

Рисунок 1 Сетчатая разводка земли
Рисунок 1 – Сетчатая разводка земли

Как вышеописанный метод может создать низкоиндуктивную систему разводки земли? Сетка на рисунке 1 довольно грубая. Более точная земляная сетка показана на рисунке 2 (нижние и верхние дорожки земли на нем показаны одинаково). Сигнальная дорожка соединяет выход логического элемента в верхнем левом углу с входом логического элемента в нижнем правом углу.

Рисунок 2 Сетчатая разводка земли
Рисунок 2 – Сетчатая разводка земли

Как видите, токовая петля может быть замкнута через множество альтернативных обратных путей, которые предоставляет земляная сетка. Несмотря на то что имеется много параллельных обратных путей, бо́льшая часть тока будет проходить через путь, ближайший к сигнальной дорожке, чтобы минимизировать индуктивность пути. Возможный обратный путь, который может демонстрировать относительно небольшую индуктивность, показан на рисунке.

Обратите внимание, что с земляной сеткой вам, возможно, придется использовать несколько переходных отверстий, чтобы провести сигнальную трассу через печатную плату. Это показано на рисунке 3 (это не было показано на абстрактной схеме на рисунке 2).

Рисунок 3 Разводка сигнальной трассы через печатную плату при использовании земляной сетки
Рисунок 3 – Разводка сигнальной трассы через печатную плату при использовании земляной сетки

Поэтому лучше, чтобы большинство дорожек верхнего слоя проходили вертикально, а большинство дорожек нижнего слоя – горизонтально, так потребуется меньше переходных отверстий.

Насколько это может быть эффективно?

Одним из способов проверки эффективности системы разводки земли является измерение напряжения шума земли между различными микросхемами на плате. При исследовании сравнивалась разность напряжений между выводами земли микросхем двухслойной платы, в которой используется земляная сетка, с аналогичной конструкцией с разводкой земли из одной точки. Это исследование показало, что земляная сетка может уменьшить разницу напряжений между выводами земли микросхем с 1000 мВ до 100 мВ (это было лучшим улучшением между различными комбинациями микросхем). Согласно этому исследованию, при применении метода земляной сетки излучение платы было уменьшено примерно на 7 дБ. Для получения более подробной информации об этом исследовании, смотрите раздел 10.5.3 книги «Electromagnetic Compatibility Engineering» Генри В. Отта.

Чтобы добиться значительного снижения индуктивности цепи земли, следует использовать интервал сетки 0,5 дюйма (12,7 мм) или менее. В общем, по мере увеличения рабочей частоты может потребоваться использование более мелкой сетки, чтобы обеспечить больше параллельных путей и уменьшить индуктивность системы земли. Метод земляной сетки совместим со схемами, работающими на частотах до 10 МГц; выше этой частоты следует использовать земляной полигон.

Другие варианты метода земляной сетки

В разных книгах и примечаниях по применению предложены несколько разные версии метода земляной сетки. В то время как земляная сетка на рисунке 1 основана только на земляных трассах, в книге Говарда Джонсона и Мартина Грэхема «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии» предлагается сетка, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4 Вариант земляной сетки из книги Говарда Джонсона и Мартина Грэхема Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии
Рисунок 4 – Вариант земляной сетки из книги Говарда Джонсона и Мартина Грэхема «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии»

В этом случае вертикальные земляные трассы на верхнем слое заменяются силовыми трассами. Горизонтальные элементы соединены с землей. Обратите внимание, что эти земляные трассы находятся на нижней стороне платы и являются непрерывными; они не прерываются силовыми трассами на верхнем слое. Земляная сетка, показанная на рис. 4, будет работать, потому что обратный ток сигнала переменного тока может течь обратно к своему источнику одинаково хорошо либо по земляным, либо по силовым линиям. Поскольку переходные отверстия не могут быть использованы в этой схеме, мы должны использовать блокировочные конденсаторы на пересечениях вертикальных и горизонтальных трасс. Эти конденсаторы должны быть высокого качества, чтобы позволить току легко течь обратно к управляющему им логическому элементу.

У нас также могут быть земляные и силовые трассы на верхнем и нижнем слоях. Это показано на рисунке 5 ниже.

Рисунок 5 Земляная сетка при использовании и земляных, и силовых трасс на обоих слоях
Рисунок 5 – Земляная сетка при использовании и земляных, и силовых трасс на обоих слоях

Это займет больше места на плате, но можно ожидать, что оно будет иметь меньшую индуктивность, потому что теперь обратный ток может протекать как через земляные трассы, так и через силовые трассы. Часть обратного тока, которая протекает через силовую трассу, будет использовать блокировочный конденсатор, чтобы достигнуть ближайшей земляной трассы, через которую он может течь обратно к управляющим логическим элементам.

Если ограниченное пространство на плате не позволяет использовать широкие трассы, вы можете реализовать сетку, используя узкие трассы. Это показано на рисунке 6.

Рисунок 6 Земляная сетка, использующая узкие дорожки
Рисунок 6 – Земляная сетка, использующая узкие дорожки

Широкая дорожка может обеспечить более низкое сопротивление, что важно с точки зрения низких частот; однако даже узкая трасса может добавить в сетчатую систему много параллельных путей и уменьшить индуктивность земли (с точки зрения высоких частот).

Заключение

Индуктивность земляного пути может увеличить шумы на плате с помощью нескольких различных механизмов. Многослойная плата позволяет нам иметь слои со сплошными земляными полигонами, которые могут значительно снизить индуктивность земли. Однако в случае двухсторонней платы, для реализации системы разводки земли с низкой индуктивностью, нам необходимо прибегнуть к другим методам, таким как земляная сетка. Исследование показало, что земляная сеть может снизить излучение примерно на 7 дБ, а различие между напряжениями земли – на порядок.

Теги

PCBПечатная платаПроектирование печатных платШум

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.