№9 / 2015 / статья 6

Эффективная система заземления на платах с ИС смешанного сигнала

Марк Фортунато (Maxim Integrated)

В статье обсуждаются проблемы создания системы заземления на печатных платах (ПП), содержащих микросхемы смешанного сигнала. Предложены практические рекомендации по разводке печатных плат, которые позволяют минимизировать перекрестные помехи и повысить надежность работы системы смешанного сигнала. Рассмотрены базовые принципы протекания тока в печатных платах.

У разработчиков печатных плат часто возникают вопросы, связанные с тем, как правильно выполнить заземление интегральных схем (ИС), которые имеют раздельные аналоговую и цифровую земли. Должны ли эти земли быть совершенно отдельными и никогда не соединяться между собой? Следует ли их соединять в одной точке с помощью разрывов в плоскости земли? Как может быть реализовано заземление на ПП при наличии нескольких ИС, в которых предусмотрены как аналоговая, так и цифровая земли?

В данной серии статей содержатся рекомендации по заземлению ПП для проектов смешанного сигнала. Для большинства приложений применим простой метод без разрезов земляной плоскости, который позволяет успешно выполнить разводку ПП, содержащей микросхемы смешанного сигнала. Мы рассмотрим этот метод ниже и, кроме того, покажем, что базовые принципы, изложенные в данной статье, могут быть использованы в более сложных приложениях.

В первой части статьи мы рассмотрим базовые принципы протекания тока в ПП. Во второй части изучим, как размещать компоненты и выполнить разводку сигнальных проводников, чтобы минимизировать проблемы, связанные с перекрестными помехами. В третьей части рассмотрим особенности протекания токов, потребляемых от источников питания, и завершим эту серию статьей о применении изложенных принципов для заземления схем с несколькими ИС смешанного сигнала.

Следуя за током

Вспомним, что набор соединенных электрических и электронных компонентов мы называем «схемой» или «цепью», поскольку токи всегда протекают от источника к нагрузке, а затем возвращаются назад по обратному каналу, образуя своего рода кольцо. Учет направления протекания токов — как их путей при выполнении полезной работы, так и образующихся каналов обратного тока — является основополагающим принципом проектирования аналоговой схемы. Кроме того, все цифровые схемы являются, по сути, аналоговыми схемами, они представляют собой систему, для которой мы определяем всего два состояния. Транзисторы и другие компоненты, а также токи и напряжения в такой схеме работают в соответствии с теми же физическими принципами, что и другие аналоговые цепи. Они генерируют обратные токи точно таким же образом, как и любые другие схемы.

Рис. 1. Простое соединение — прямое соединение между двумя ИС

Рис. 1. Простое соединение — прямое соединение
между двумя ИС

На рисунке 1 показано простейшее соединение в схеме: прямое соединение от одного чипа к другому. В идеальных условиях выходной импеданс ИС1 будет равен нулю, а входной импеданс ИС2 будет бесконечным, поэтому ток в таких условиях не протекает. В реальных же условиях ток будет протекать из ИС1 в ИС2 или обратно. Что происходит с этой схемой?

На самом деле должно существовать еще одно соединение ИС1 и ИС2, которое позволяет протекать току из ИС1 в ИС2 и возвращаться в ИС1 или наоборот. Этим соединением обычно и служит земля, и часто на принципиальной схеме цифровой части системы ее даже не обозначают (см. рисунок 1). В большинстве случаев на принципиальных схемах для обозначения заземления используется специальный символ, как показано на рисунке 2а. На рисунке 2б показана полная цепь протекания тока.

Рис. 2. Простая схема, показанная на рисунке 1: а) земляное соединение обозначено специальным символом; б) полная цепь с каналом протекания тока по земле

Рис. 2. Простая схема, показанная на рисунке 1: а) земляное соединение обозначено специальным
символом; б) полная цепь с каналом протекания тока по земле

Конечно, сами по себе ИС не являются источниками тока. Ими служат источники питания схемы. Для упрощения предположим, что в схеме имеется одна шина питания, а источником питания служит батарея. Дополним схему развязывающими конденсаторами, шунтирующими источник питания ИС.

Рис. 3. Путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС1

Рис. 3. Путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС1

Все постоянные токи начинаются и заканчиваются на источнике питания. На рисунке 3 показан путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС1. Для высокочастотных сигналов (высокая частота в значительной степени определяется шунтирующей емкостью и импедансом источника питания) ток начинается и заканчивается на развязывающем конденсаторе. На рисунке 4 показан путь тока высокочастотного сигнала.

Рис. 4. Путь протекания тока высокочастотного сигнала для случая, когда ток вытекает из ИС1

Рис. 4. Путь протекания тока высокочастотного сигнала для случая, когда ток вытекает из ИС1

Важно помнить, что выход не всегда является источником токов. Рассмотрим случай, когда выход ИС1 подсоединен ко входу ИС2, который имеет нагрузочный подтягивающий резистор, подключенный к напряжению питания VDD. На рисунке 5 показан путь протекания переходного (высокочастотного) тока для такого случая от конденсатора C2 через подтягивающий резистор в ИС2, через полевой транзистор нижнего плеча, который находится во включенном состоянии — в ИС1, а затем — через вывод земли ИС1 на земляной вывод C2. Хотя ИС1 является управляющим устройством, подключение выхода ИС1 с помощью полевого транзистора к земле приводит к тому, что ток от C2 протекает через ИС2 и втекает в ИС1. Если выход ИС1 на рисунке 5 остается в состоянии низкого уровня длительное время – потребляемый статический ток будет вытекать прямо из источника питания (рисунок 6).

Рис. 5. Путь протекания высокочастотного тока для случая, когда ток вытекает из ИС2

Рис. 5. Путь протекания высокочастотного тока для случая, когда ток вытекает из ИС2

До сих пор в нашем обсуждении использовалась упрощенная модель. Мы условно разделили сигналы на низкочастотные и высокочастотные, как если бы между ними существовала вполне определенная граница. В реальности всегда имеются оба канала протекания тока. На рисунке 6 при начальном переходе выхода ИС1 в состояние низкого уровня ток вытекает из развязывающего конденсатора ИС2. Это объясняется тем, что на выходе ИС1 требуется почти мгновенное изменение тока, поступающего от входного вывода ИС2, который привязан резистором к напряжению питания.

Рис. 6. Путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС2

Рис. 6. Путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС2

Мы подключили развязывающий конденсатор к ИС2 на очень близком расстоянии от ее выводов питания и земли, чтобы обеспечить требования быстрого изменения тока. Источник питания не может обеспечить такой быстрый переходный ток, поскольку он расположен не так близко от ИС и потому имеет значительное сопротивление и, что более важно — существует индуктивность между этим источником питания и выводом напряжения питания ИС2.

Цель подключения развязывающего конденсатора к микросхемам — обеспечить переходные (высокочастотные) токи, что не способен сделать источник питания. По мере того как переходный процесс спадает, все большая часть тока поступает от источника питания, а меньшая его часть — от развязывающего конденсатора.

Упростим нашу концепцию еще больше, допустив, что постоянный ток поступает от источника питания, а переменный — от развязывающего конденсатора. Мы знаем, конечно, что в реальности дело обстоит немного сложнее.

Рассматривая более динамичную ситуацию, мы обнаружим, что путь протекания токов представляет собой сочетание всех четырех вариантов, рассмотренных выше. Общий путь в любом направлении начинается с вывода питания компонента, из которого вытекает ток (ИС1 или ИС2), проходит через этот компонент и через соединение с другим компонентом (ИС2 или ИС1), а затем протекает через второй компонент к выводу земли этого компонента.

Каким образом ток завершает свой круговой путь от вывода земли к выводу питания компонента источника – зависит от частоты сигнала. Постоянный ток полностью вернется в земляной терминал источника питания, он будет протекать от вывода питания ИП к выводу питания компонента, из которого вытекает ток. Ток высокочастотного сигнала вернется в земляной вывод развязывающего конденсатора компонента с вытекающим током, который также передает ток в вывод питания.

В реальности всегда присутствуют оба компонента тока, причем для низкочастотных сигналов доминирующим является путь постоянного тока. Не забывайте, что даже если цифровой сигнал переключается с низкой скоростью (как, например, в случае прямоугольного сигнала с частотой 1 Гц), переключения из одного состояния в другое, вызываемые переходными токами, происходят с частотой, которую имеет намного более высокочастотный сигнал. Они просто происходят реже.

Обсуждая, как реализовать заземление на корректно выполненном проекте, мы полагаем, что развязывающие конденсаторы и выводы питания и земли микросхемы находятся в непосредственной близости друг от друга. Развязка подобного рода существенно упрощает работу разработчика. Обычно, рассматривая протекание сигнальных токов в печатной плате, мы представляем развязывающие конденсаторы и ИС как одно целое.

Заметим, наконец, что питающий ток для высокоскоростных переменных сигналов проходит очень короткое расстояние от развязывающего конденсатора до ИС, которую он шунтирует. Пути тока в самой ИС, конечно, малы. Подавляющая часть пути тока в петле приходится на соединение между выходом одного чипа и входом другого и канал возврата тока через землю.

Изучите рисунки 4 и 5 и подумайте, что произойдет, если ИС отделить друг от друга на большее расстояние. Развязывающие конденсаторы остаются рядом с соответствующими ИС, и все расстояние увеличивается за счет удлинения соединения между чипами и пути возврата тока через землю. Для токов высокоскоростных сигналов именно здесь могут возникнуть проблемы.

Цифровые и аналоговые источники питания и земли

На схемах, приведенных выше, мы не определили, являются ли ИС и сигналы цифровыми или аналоговыми. ИС1 может быть операционным усилителем с полевым транзистором нижнего плеча в выходном каскаде, входной вывод на ИС2 может быть входом АЦП. ИС1 может быть микроконтроллером с двухтактным выходом в качестве стандартного порта ввода/вывода, вход ИС2 может быть управляющим выводом ЦАП. Мы упомянули об АЦП и ЦАП, как о типичных компонентах, по поводу которых возникают вопросы, связанные с заземлением как для аналоговых, так и для цифровых сигналов. Аналоговые схемы обычно имеют дело с сигналами, которые изменяются плавно и непрерывно и для которых небольшие изменения напряжения и тока имеют существенное значение. Цифровые схемы работают на основе скачкообразного перехода из одного состояния в другое, генерируя импульсы тока. Для них обычно допускаются широкие диапазоны напряжений, которые соответствуют определенному состоянию. Именно такие, достаточно большие по величине, резкие импульсы цифрового тока во время перехода схемы из одного состояния в другое могут исказить аналоговые сигналы, если их надлежащим образом не отделить друг от друга.

Путь наименьшего импеданса

Широко известен принцип, согласно которому ток протекает по пути наименьшего сопротивления. К сожалению, этот принцип верен только для постоянных токов. Более полным и точным вариантом изложения этого принципа является утверждение, что ток протекает по пути наименьшего полного сопротивления (импеданса). Для постоянного тока имеет значение только резистивная часть импеданса. В случае сплошной плоскости заземления путь наименьшего сопротивления представляет собой прямую линию. В действительности ток будет протекать и не по прямому пути.

Величина тока по любому конкретному пути будет обратно пропорциональна расстоянию, поскольку сопротивление земляного слоя на единицу длины — величина практически постоянная. Поэтому большая часть тока будет протекать по прямолинейному пути наименьшего сопротивления, а меньшая часть тока — по пути, который все больше отклоняется от прямолинейного. Для упрощения мы обозначим постоянные токи как токи, текущие по прямолинейному пути, с учетом того, что имеется довольно широкое распределение токов, причем ток максимальной величины протекает вдоль этой прямой линии.

Для сигналов, которые имеют наибольшее значение, то есть для переменных сигналов, нам также следует рассмотреть реактивную часть импеданса. Для печатных плат, в которых используется плоскость земли, смежная с сигнальным слоем, мы имеем однозначно определенное значение импеданса, которое зависит от геометрии проводника, толщины слоя печатной платы, отделяющего проводник от слоя земли, материала платы и частоты сигнала. Все математические подробности, связанные с этими параметрами, выходят за пределы данной статьи. К счастью, нет необходимости погружаться в математические расчеты, чтобы использовать предложенную концепцию и получить хорошие результаты.

Рис. 7. Простое соединение двух ИС с помощью проводника, идущего не по кратчайшему пути

Рис. 7. Простое соединение двух ИС с помощью
проводника, идущего не по кратчайшему пути

Рис. 8. Токи возврата через землю протекают по пути наименьшего сопротивления (синие стрелки) и по пути наименьшего импеданса (красные стрелки)

Рис. 8. Токи возврата через землю протекают по
пути наименьшего сопротивления (синие стрелки) и
по пути наименьшего импеданса (красные стрелки)

Рассмотрим очень простой пример для одного проводника, соединяющего две ИС. Представим, что микросхемы установлены на печатной плате, а соединяющий их проводник проложен не по кратчайшему пути (рисунок 7). Допустим, имеется сплошная плоскость земли с соединением к земляному выводу каждой ИС вблизи от точки подключения проводника. Обратные токи должны протекать от заземляющего соединения одной ИС к заземляющему соединению другой ИС. Поскольку у нас имеется сплошная земляная плоскость, путем наименьшего сопротивления и, следовательно, путем постоянного тока, будет прямая линия (путь, обозначенный синей стрелкой на рисунке 8). Для высокочастотных сигналов (из-за взаимной индуктивности между проводником и земляной плоскостью под ним) путем с наименьшим импедансом на плоскости земли оказывается путь, расположенный непосредственно под проводником (путь, обозначенный красной стрелкой на рисунке 8).

Но какую частоту считать высокой? Эмпирическое правило на этот счет гласит, что обратные токи сигналов частотой в несколько сотен килогерц и выше протекают под сигнальными проводниками. Рабочая частота, выше которой она считается «высокой», определяется геометрией проводника и печатной платы (ширина проводника, зазор между слоями) и материалом платы (диэлектрическая постоянная). Для определения того, будет ли обратный ток следовать вдоль проводника, в наиболее общем случае нам нужно точно знать, какова эта частота.

Математическое описание этого явления чрезвычайно сложно и, по мнению автора, весьма запутано. К счастью, доктор Брюс Аршамбо (Bruce Archambeault) опубликовал свою работу, в которой представил рисунки, иллюстрирующие эту проблему намного лучше, чем страницы текста, полные уравнений. На рисунке 9 в качестве примера показана топология U-образного проводника, проходящего над земляной плоскостью.

Рис. 9. Топология U-образного проводника, проходящего над земляной плоскостью (рисунки 9…12 опубликованы с разрешения Брюса Аршамбо)

Рис. 9. Топология U-образного проводника, проходящего над земляной плоскостью (рисунки 9…12
опубликованы с разрешения Брюса Аршамбо)

Д-р Аршамбо выполнил электромагнитное моделирование для сигналов различной частоты, чтобы выяснить, по какому пути протекает ток. Прямые токи сигналов для каждого случая, конечно, ограничены проводником, однако обратные токи по земле могут протекать в любом участке земляной плоскости.

Рис. 10. Ток земли частотой 1 кГц протекает от нагрузки к источнику по прямой линии

Рис. 10. Ток земли частотой 1 кГц протекает от нагрузки к источнику по прямой линии

На рисунке 10 показано, как протекают токи сигнала частотой 1 кГц. Ток земли главным образом протекает от нагрузки к источнику по прямой, что показано с помощью узкой желтой линии. Небольшая величина тока земли протекает вдоль пути сигнала (обозначено светло-синим цветом), в то время как еще меньшая часть тока протекает между этими двумя путями, что показано с помощью более темного оттенка синего цвета на большей части плоскости земли.

Рис. 11. Ток земли частотой 50 кГц протекает по всей плоскости

Рис. 11. Ток земли частотой 50 кГц протекает по всей плоскости

На рисунке 11 показан ток для сигнала частотой 50 кГц, текущий главным образом вдоль сигнального проводника (широкая зеленая полоса вдоль проводника) и, в меньшей степени — непосредственно от нагрузки к источнику (более бледная и широкая зеленая линия между двумя концами проводника), а также в промежуточной области. В средней области, которая окрашена в светло-синий (а не темно-синий) цвет, протекает минимальная величина тока. Наконец, на рисунке 12 показаны пути тока для сигнала 1 МГц. Практически весь обратный ток земли протекает вдоль сигнального проводника.

Рис. 12. Ток земли частотой 1 МГц протекает вдоль сигнального проводника

Рис. 12. Ток земли частотой 1 МГц протекает вдоль сигнального проводника

Как можно было бы предполагать, для этого случая обратный ток не распределяется по плоскости земли шире, чем сам проводник. Распределение тока для таких высоких частот определяется следующим уравнением:

form_1

где J(x) — плотность тока, I — общий ток, w — ширина проводника, h — толщина слоя ПП (высота проводника над земляной плоскостью), x — ширина зоны измерения тока под проводником (рисунок 13).

Рис. 13. Поперечный разрез печатной платы

Рис. 13. Поперечный разрез печатной платы

Важно отметить, что данное уравнение не зависит от частоты (опять же, полагая, что частота достаточно высокая, о чем говорилось выше). Если оценить уравнение, мы получим гауссово распределение с пиком, который находится прямо под центром проводника.

Если суммировать ток в полосе между x = -h и x = h, то обнаружим, что 50% общего тока протекает в этой области. Более того, 80% тока находится в полосе между x = -3h и x = 3h. Как можно догадаться интуитивно, чем тоньше слой печатной платы (то есть, чем ближе проводник расположен к плоскости земли), тем более плотным будет распределение тока.

Что дальше?

Изложенные базовые принципы протекания тока можно применить и для более сложных схем. В следующей части статьи мы рассмотрим принципы протекания тока в реальных схемах и обсудим способы создания печатных плат, свободных от распространенных проблем с заземлением.

 

Литература

http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5450 — опубликованы с разрешения Брюса Аршамбо.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

MAX11904_NE_06_15_opt

Наши информационные каналы

Рубрики:

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее