Skuteczne prowadzenie masy na płytkach z mieszanymi sygnałami
| TechnikaDuża część konstruowanych współcześnie urządzeń elektronicznych zawiera zarówno układy analogowe, jak i cyfrowe. Poprawne ich współdziałanie jest w dużym stopniu uzależnione od projektu płytki obwodu drukowanego, w szczególności od rozplanowania płaszczyzn uziemienia.
W analizie obwodów elektrycznych jeden węzeł jest zawsze traktowany jako referencyjny. Wszelkie napięcia występujące w obwodzie są podawane najczęściej w odniesieniu do potencjału tego węzła. Dla wygody przyjmowany jest potencjał zerowy. Mówimy także, że jest to punkt uziemienia układu, nazywany również masą. Z założenia, że masa ma zerowy potencjał, mogłoby wynikać, że taki punkt odniesienia może być wspólny dla układów analogowych i cyfrowych. Czy tak jest rzeczywiście? Czy istnieją jakieś praktyczne zalecenia lub przeciwwskazania dotyczące łączenia lub ewentualnego rozdzielania mas? Jak powinny być rozprowadzane ścieżki mas do układów scalonych, do których są doprowadzone oba rodzaje sygnałów?
Zasady prowadzenia ścieżek masy można określić kilkoma podstawowymi zasadami obowiązującymi w przypadku stosunkowo prostych obwodów drukowanych i rozszerzanych dla układów bardziej wymagających. Osiąganie zadowalających efektów wymaga zrozumienia zasad przepływu prądu w obwodzie oraz nabrania wiedzy i umiejętności rozmieszczania elementów elektronicznych na PCB. Ważne zagadnienia to także zapewnienie minimalnych przesłuchów między ścieżkami sygnałowymi, a także rozprowadzanie zasilania.
Wszystko zaczyna się od dróg przepływu prądu
Podstawowa definicja obwodu elektrycznego określa go jako układ połączonych ze sobą elementów elektrycznych, w którym prąd wypływa ze źródła, płynie do obciążenia, a następnie wraca ścieżką powrotną do źródła. Można więc powiedzieć, że prąd płynie w zamkniętej pętli. Biorąc pod uwagę taką definicję, należy uznać, że układy cyfrowe stanowią jedynie pewien specyficzny podzbiór wszystkich układów z zasady nazywanych analogowymi, w których wyróżniono jedynie dwa charakterystyczne stany. Wszystkie układy, czy umownie nazywamy je analogowymi, czy cyfrowymi, działają na dokładnie takich samych zasadach fizycznych. W każdym z nich występują prądy powrotne, na które zwrócimy baczną uwagę.
Na schematach poglądowych drogi przepływu prądu często nie są zaznaczane. Widoczne są jedynie sygnały istotne z punktu widzenia cech funkcjonalnych urządzenia, na przykład tak, jak to przedstawiono na rysunku 1. Cichym założeniem jest w tym przypadku przyjęcie zerowej impedancji wyjściowej układu nadającego sygnał i nieskończonej impedancji wejściowej układu odbierającego sygnał. Przy takim założeniu nie ma potrzeby nanoszenia drogi przepływu prądu. W układzie rzeczywistym tak jednak nie jest, jakiś prąd pomiędzy układami płynie. Musi więc istnieć połączenie stanowiące drogę jego przepływu. Połączenie to jest zwykle uziemiane. Dla podkreślenia tego faktu na schematach stosowane jest specjalne oznaczenie informujące o istnieniu połączenia zapewniającego drogę powrotną prądu (rys. 2a). Dla podania pełniejszej informacji można nanieść pełny obwód przepływu prądu (rys. 2b).
a) uproszczonego uziemienia,
b) pełnej ścieżki uziemienia
Przedstawiona na rysunku 2 symbolika nadal nie jest pełna, gdyż trudno wywnioskować, czy układy scalone są źródłami prądu. W rzeczywistości jest nim zasilacz (bateria). Pełniejszy schemat obowiązujący dla prądów DC powinien więc wyglądać tak, jak na rysunku 3. Uwzględniono na nim również stosowane w praktyce kondensatory blokujące zmniejszające impedancję obwodu zasilającego dla przebiegów o dużych częstotliwościach. W chwilach nagłych skoków prądowych stają się one źródłami zasilania. Trudno jednak sformułować regułę, która wyraźnie rozgraniczałaby częstotliwości niskie od wysokich. W rzeczywistości oba elementy, tj. zasilacz i kondensatory blokujące, zawsze są jednocześnie źródłami prądu, zmienia się natomiast ich procentowy udział w dostarczaniu prądu całkowitego. Na przykład w chwili przełączenia tranzystora wyjściowego układu IC1 z rysunku 4 w stan aktywny "żąda" on natychmiastowego dostarczenia prądu ze źródła zasilającego. Źródło (bateria) jest jednak umiejscowione dużo dalej od układu IC1 niż kondensator blokujący, który znajduje się zwykle bardzo blisko układu. Połączenie baterii i końcówki zasilania IC1 ma dużo większą rezystancję, a także indukcyjność niż połączenie z kondensatorem. Początkowy prąd o stosunkowo dużym natężeniu popłynie więc przede wszystkim z kondensatora blokującego. Dopiero po zakończeniu stanu nieustalonego bateria przejmuje rolę źródła prądu. Sytuacja taka wystąpi niezależnie od częstotliwości sygnału cyfrowego. Przykładowo, nawet dla fali prostokątnej o częstotliwości 1 Hz zapotrzebowanie na prąd w chwili przełączania będzie tak samo duże, jak dla przebiegów o wiele wyższej częstotliwości.
Przykład układu przedstawionego na rysunku 4 pokazuje ponadto, że wyjścia układów nie zawsze są portami, z których prąd wypływa. W tym przypadku na wyjściu zastosowano tranzystor z otwartym drenem, do którego prąd wpływa, a od strony wejścia znajduje się rezystor podciągający, z którego prąd wypływa.
Efektywność kondensatorów blokujących zasilanie jest w dużym stopniu uzależniona od umiejscowienia ich na PCB. Każdy taki kondensator powinien być traktowany niemal jak integralna całość z danym układem scalonym. Każdy milimetr ścieżki łączącej końcówki zasilające układu z końcówkami kondensatora może tę efektywność zmniejszać.
Zasilanie i uziemianie bloków analogowych i cyfrowych
Na przedstawionych do tej pory schematach nie klasyfikowaliśmy układów scalonych jako analogowych bądź cyfrowych. Widoczny w układzie scalonym IC1 tranzystor FET mógłby być np. stopniem wyjściowym wzmacniacza operacyjnego połączonego z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego (IC2). Równie dobrze IC1 mógłby być mikrokontrolerem z wyjściem push-- pull połączonym z wejściem przetwornika cyfrowo-analogowego. Oba typy przetworników pojawiły się tu nieprzypadkowo, gdyż często powodują liczne problemy z uziemianiem zarówno sygnałów cyfrowych, jak i analogowych. Obwody analogowe pracują zwykle z sygnałami zmieniającymi wartości bardzo płynnie. Towarzyszące im zmiany napięcia lub prądu są niewielkie. Zupełnie inaczej jest w przypadku sygnałów cyfrowych, które bardzo szybko i gwałtownie przechodzą z jednego stanu do drugiego, z czym związane są duże impulsy prądowe. Jednocześnie zakresy napięć przypisanych do poszczególnych stanów są względnie szerokie. Problem stanowią owe impulsy prądowe generowane przez układy cyfrowe mogące maskować precyzyjne sygnały analogowe. Aby tego uniknąć, układy muszą być dostatecznie dobrze separowane od siebie.
Ścieżka o najmniejszej impedancji
Specjaliści dobrze wiedzą, że prąd wybiera sobie przede wszystkim najłatwiejszą drogę przepływu, a więc ścieżkę o najmniejszym oporze. W przypadku prądu stałego tym oporem jest czysta rezystancja, natomiast w ogólnym przypadku, dla prądu zmiennego należy rozważać impedancję. Nie oznacza to oczywiście, że prąd płynie wyłącznie ścieżkami o najmniejszym oporze. Udział prądu płynącego ścieżkami o dużym oporze w prądzie całkowitym jest natomiast odpowiednio mniejszy. Rozważając płaszczyznę uziemienia, można przyjąć, że jej rezystancja na jednostkę długości jest jednorodna. Prowadzi to do wniosku, że największy prąd popłynie drogą prostoliniową o najmniejszym oporze.
W wielowarstwowych obwodach drukowanych jedną z warstw przeznacza się zwykle na płaszczyznę uziemienia (masę), która sąsiaduje z warstwą sygnałową. Ma ona dobrze zdefiniowaną impedancję określoną geometrią ścieżki, odległością między warstwami, materiałem, z jakiego jest wykonana płytka oraz częstotliwością sygnału. Chociaż parametry te są dość dokładnie opisane matematycznie, taka szczegółowa wiedza nie jest niezbędna do zrozumienia zachodzących zjawisk.
Powróćmy do przykładu z rysunku 1. Mamy więc dwa układy scalone i jedno połączenie sygnałowe między nimi. Tym razem jednak rozpatrujemy układy scalone rozmieszczone na płytce drukowanej i obserwujemy rzeczywisty kształt ścieżek. Przyjmujemy, że płytka ma płaszczyznę uziemienia, z którą w pobliżu ścieżki sygnałowej są łączone wyprowadzenia mas układów scalonych. Prądy powrotne DC płyną z końcówki uziemienia jednego układ scalonego do końcówki uziemienia układu drugiego. Ponieważ jest tu płaszczyzna uziemienia, prąd powrotny DC popłynie najkrótszą drogą pomiędzy nóżkami uziemień (niebieska ścieżka na rysunku 5). Dla prądów wysokiej częstotliwości wzajemna indukcyjność pomiędzy ścieżką sygnałową a leżącą pod nią płaszczyzną uziemienia powoduje, że ścieżka o najmniejszej impedancji pokrywa się ze ścieżką sygnałową (czerwoną). Ale znowu pojawia się pytanie: co to jest wysoka częstotliwość? Można przyjąć ogólną zasadę taką, że prądy powrotne przepływają pod ścieżką sygnałową dla sygnałów o częstotliwość powyżej kilkuset kiloherców. Jest to jednak założenie bardzo ogólne, w rzeczywistości granica określenia "wysokiej" częstotliwości jest uzależniona od parametrów geometrycznych określających wymiary płytki, szerokości ścieżek, grubości izolacji między warstwami, a także stałej dielektrycznej materiału, z którego wykonana jest płytka drukowana.
Symulacje zjawisk elektromagnetycznych
Matematyczny opis zjawisk związanych z przepływem prądu w ścieżkach obwodu drukowanego jest bardzo skomplikowany. Ich dogłębne zrozumienie nawet przez inżynierów zajmujących się projektowaniem obwodów drukowanych jest w większości przypadków bardzo dużym wyzwaniem. Pozostają więc przykłady, w których skomplikowane wyrażenia matematyczne są zastępowane przejrzystymi ilustracjami. Dobrym przykładem są publikacje dr. Bruce’a Archambeaulta, m.in.: https://www.emcs.org/acstrial/newsletters/fall08/tips.pdf. Przedstawiono w niej ścieżkę mającą kształt litery "U" położoną nad płaszczyzną uziemienia (rys. 6). Autor przeprowadził symulację zjawisk elektromagnetycznych występujących w tej ścieżce dla sygnałów o różnych częstotliwościach. Symulacja miała na celu określenie, jakimi drogami przepływa prąd. O ile prąd sygnału jest ograniczony kształtem ścieżki, co jest oczywiste, o tyle prąd powrotny może płynąć całą szerokością płaszczyzny uziemienia.
Na rysunku 7 przedstawiono drogę przepływu prądu powrotnego dla sygnału o częstotliwości 1 kHz. Jak widać, prąd powrotny (żółty ślad) płynie bezpośrednio od źródła do obciążenia. Tylko pewna jego część płynie drogą pokrywającą się ze ścieżką sygnałową (jasnoniebieski ślad). Jeszcze mniejszy prąd przepływa drogą między ścieżkami (ślad ciemnoniebieski).
Na rysunku 8 przedstawiono z kolei drogę przepływu prądu powrotnego dla sygnału o częstotliwości 50 kHz. W tym przypadku przeważająca część prądu powrotnego pokrywa się ze ścieżką sygnałową (szeroki zielony ślad). Tylko niewielka jego część przepływa najkrótszą drogą między źródłem a obciążeniem (blady ślad zielony). Środkowy obszar jest zaznaczony kolorem jasnoniebieskim, co oznacza, że przepływa przez niego znikomo mała część prądu.
I jeszcze jeden przykład dla sygnału o częstotliwości 1 MHz (rys. 9). Praktycznie cały prąd powrotny pokrywa się ze ścieżką sygnałową. Jak można się było spodziewać, prąd powrotny rozpływa się po płaszczyźnie szerszej niż sama ścieżka.
Rozkład prądu dla opisanych przykładów jest opisany zależnością:
gdzie: J(x) – gęstość prądu, I – prąd całkowity, w – szerokość ścieżki, h – grubość warstwy (odległość między płaszczyzną uziemienia a ścieżką sygnałową), x – odległość pod ścieżką brana pod uwagę w pomiarze prądu (rys. 10).
W równaniu tym nie występuje częstotliwość, co wynika z założenia, że częstotliwość jest odpowiednio wysoka, tak jak to omawiano wcześniej. Rozwiązanie równania daje rozkład Gaussa, w którym maksimum wypada bezpośrednio pod środkiem ścieżki. Jeśli zsumujemy prąd między x=-h do x=h, stwierdzimy, że w przedziale tym mieści 50% całkowitego prądu. Idąc dalej, 80% prądu przepływa w zakresie od x=–3h do x=3h. Można się intuicyjnie spodziewać, że im cieńsza jest płytka (mniejsza odległość między warstwami), tym rozkład prądu jest bardziej zwarty.
Minimalizacja przesłuchów przy projektowaniu PCB
Poznane zagadnienia powinny być przydatne podczas projektowania PCB dla rzeczywistych układów elektronicznych. Istotne są dwa zagadnienia: rozmieszczenie elementów na płytce oraz trasowanie połączeń. Obie fazy pracy nad płytką powinny zapewnić minimalizację przesłuchów i wzajemnego zakłócania się sygnałów.
Zakładamy, że w projektowanej przez nas płytce (rys. 11) istnieje płaszczyzna uziemienia sąsiadująca z warstwą sygnałową. Zasilanie jest rozprowadzane na warstwie górnej (sygnałowej). Są tu umieszczone szerokie ścieżki zasilające, przedstawione na rysunku kolorem szarym. Połączenia z płaszczyzną uziemienia są wykonane jako przelotki pomiędzy warstwą sygnałową (zieloną) a płaszczyzną uziemienia. Na rysunku 11 zaznaczono wszystkie drogi przepływu prądu w obwodzie, w którym układ IC1 pełni funkcję źródła sygnału. Prądy związane z sygnałem są przedstawione przerywanymi liniami. Prądy powrotne płyną całą płaszczyzną uziemienia.
Prądy DC popłyną ścieżką o najmniejszym oporze. Z przedstawionej wcześniej symulacji wiemy, że ścieżka powrotna prądu DC będzie przebiegać bezpośrednio od nóżki uziemienia odbiornika sygnału (IC2) do uziemienia źródła zasilania najkrótszą drogą, po linii prostej. Prądy związane ze stanami przejściowymi popłyną pod ścieżką sygnałową z rozkładem określonym geometrią ścieżek i płytki.
Przeanalizujmy przypadek dla sygnałów o częstotliwości na tyle niskiej, aby znaczna część prądu popłynęła ze źródła zasilającego, a nie z kondensatorów blokujących. Nadal indukcyjność wzajemna będzie wymuszać trasę prądu powrotnego pod ścieżką sygnałową. Rozkład prądu będzie jednak znacznie szerszy niż dla prądu DC. Ponadto prąd powrotny płynący pod ścieżką dotrze w dużej części do układu scalonego, a nie w pełni do uziemionej nóżki kondensatora blokującego. Część prądu pochodzącego z kondensatora powróci do masy, a reszta do uziemionej końcówki zasilacza. Wraz ze zmniejszaniem częstotliwości będziemy obserwować coraz mniejszy wpływ indukcyjności, a zatem będzie rósł prąd płynący ścieżką DC.
Wraz ze zwiększaniem odległości źródła zasilającego od układu scalonego będzie rosła impedancja doprowadzenia zasilania, która zależy zarówno od rezystancji, jak i indukcyjności. Efekt ten wystąpi również wtedy, gdy zmniejszy się szerokość ścieżek. Na skutek zwiększania impedancji doprowadzenia zasilania z zasilacza do układu scalonego będzie rosła rola kondensatora blokującego w dostarczaniu prądu nawet niskiej częstotliwości. Powinny być wówczas stosowane kondensatory o większej pojemności.
Rozważymy teraz przypadek odwrotny. Źródłem sygnału będzie układ IC2, a odbiornikiem IC1 (rys. 12). Należy zwrócić uwagę na ścieżki tworzące połączenia na warstwie sygnałowej (która jest jednocześnie warstwą elementów). Zmianie uległ kierunek przepływu prądu sygnału i kierunek prądu powrotnego AC. Do nóżki wyjściowej układu IC2 prąd AC jest dostarczany przez nóżkę VDD z kondensatora blokującego C2. Prąd sygnałowy dostarczany do IC1 płynie do masy przez nóżkę uziemienia IC1. Część AC tego prądu płynie płaszczyzną uziemienia pod ścieżką sygnałową, natomiast część DC powraca po linii prostej do źródła zasilania.
Masa nie jest ekwipotencjalna
Wbrew ogólnie przyjętym zasadom powierzchnia masy nie jest ekwipotencjalna. Bezpośrednią tego przyczyną jest skończona rezystancja warstwy miedzi, bez względu na jej grubość. Jeśli więc dwa dowolne prądy, np. pochodzące od sygnału cyfrowego i analogowego, płyną tym samym fragmentem płaszczyzny uziemienia, nieunikniony jest przesłuch między nimi. Przyczyną tego są spadki napięć na fragmentach płaszczyzny uziemienia wywołane przepływem tych prądów. Bardzo często wyprowadzenia mas dwóch różnych elementów łączą się z płaszczyzną uziemienia niemal w tym samym punkcie, a ich prądy powrotne wracają do jednego punktu umiejscowionego na drugim końcu płytki. Przyjmijmy, że rezystancja ścieżki wynosi 0,01 Ω i element A jest źródłem prądu o natężeniu 1 A, podczas gdy prąd elementu B jest równy 1 mA. Na końcu połączenia tych elementów napięcie uziemienia będzie o 10 mV większe niż napięcie uziemienia w punkcie powrotu prądu. Wzrost napięcia o te 10 mV w odniesieniu do punktu powrotu wystąpi nawet na elemencie, który dostarcza zaledwie prąd 1 mA. Jeśli prąd elementu A będzie się zmieniał skokowo od 0 do 1 A, to element B będzie to odczuwał jako zmianę napięcia o 10 mV, która podąża za tymi zmianami prądu.
Wspólne ścieżki powrotne często powodują podobne problemy, co jest szczególnie odczuwalne w obwodach zawierających zarówno elementy cyfrowe, jak i precyzyjne elementy analogowe. W źle zaprojektowanych obwodach drukowanych może nawet dochodzić do całkowitego zakłócania bloków analogowych uniemożliwiającego prawidłowe działanie urządzenia.
Inną przyczyną niejednorodnych napięć występujących w płaszczyźnie uziemienia jest elektryczna długość ścieżki prądowej. W układach wysokich częstotliwości długość ścieżek prądowych może stanowić znaczny procent długości fali sygnału propagującego przez płytkę. Oczywistym wnioskiem jest dążenie do minimalizacji długości połączeń.
Dobra zasada – umieszczaj wszystko razem
Znajomość zasad przepływu prądu w płytce drukowanej pozwala przystąpić do optymalizacji uziemień na płytkach zawierających elementy cyfrowe i analogowe. Na podstawie wcześniej sformułowanego wniosku wiemy, że należy dążyć do unikania współdzielenia ścieżki powrotnej prądów dla sygnałów analogowych i cyfrowych.
O konieczności stosowania odrębnych mas: cyfrowej i analogowej, wie każdy projektant obwodów drukowanych. Dla tych, którzy dopiero zaczynają projektowanie, powinna to być podstawowa zasada, którą będą stosować w swojej praktyce inżynierskiej. Czasami tylko rozdzielenie mas w źle zaprojektowanych płytkach drukowanych może spowodować, że urządzenia zaczną działać prawidłowo.
Dobrym ćwiczeniem przydatnym w nauce projektowania PCB są urządzenia z przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Elementy te łączą zarówno funkcje cyfrowe, jak i analogowe w jednym chipie. Powszechnie przyjmowana jest zasada mówiąca, że płaszczyzna masy powinna być rozdzielona (rozcięta) dla części analogowej i cyfrowej.
Topografię wyprowadzeń przykładowego przetwornika zastosowanego w przykładzie przedstawiono na rysunku 13. Zauważmy, że wyprowadzenia cyfrowe przetwornika są rozlokowane kolejno. W jednym miejscu są tylko rozdzielone wyprowadzeniem masy cyfrowej. Jest to celowy zabieg stosowany często przez producentów, którzy doskonale znają zasady projektowania obwodów drukowanych i trudności, na jakie napotykają konstruktorzy. Widzimy ponadto, że w przykładowym chipie przetwornika zastosowano podwójne wyprowadzenie masy cyfrowej. Takie rozwiązanie okazuje się niekiedy konieczne, aby prądy uziemienia nie powodowały problemów, które mogłyby wystąpić w przypadku zastosowania uziemienia tylko w jednym punkcie. Zgrupowanie i oddzielenie wyprowadzeń analogowych i cyfrowych w chipie przetwornika ułatwia projektantowi podjęcie decyzji o linii cięcia płaszczyzny uziemienia. Przykład wstępnego rozdzielenia płaszczyzny uziemienia tworzącego masę cyfrową i analogową przedstawiono na rysunku 14. Jak widać, zastosowano tu jednopunktowe uziemienie zlokalizowane w pobliżu sąsiadujących ze sobą pinów masy analogowej i cyfrowej przetwornika. Gdyby płytka zawierała większą liczbę układów scalonych, należałoby wszystkie układy analogowe wraz z towarzyszącymi im komponentami umieścić po jednej stronie cięcia, a cyfrowe po drugiej. W ten sposób piny uziemiające będą łączyć się z odpowiednią masą. Została wykonana pierwsza część projektu, pozostała jeszcze druga – trasowanie połączeń.
Trasowanie połączeń
Zaczniemy od połączenia sygnału cyfrowego pomiędzy dwoma układami położonymi już na płytce (rys. 15). Ścieżka ta została poprowadzona przez większą część strony analogowej i przecina płaszczyznę uziemienia w dwóch punktach. Większość projektantów uznałaby prawdopodobnie taki wybór trasy za błędny. Ścieżka cyfrowa, przechodząc przez obszar analogowy, może przecież zakłócać sygnały analogowe. Przeanalizujmy, jaką drogą popłynie prąd powrotny? Na rysunku 15 jest on zaznaczony kolorem pomarańczowym. Należy zwrócić uwagę na to, że ten prąd podąża za ścieżką sygnałową, dopóki nie napotka na przecięcie płaszczyzny uziemienia. W tym momencie może powrócić wyłącznie przez pojedynczy punkt uziemienia, aby przedostać się na drugą stronę cięcia płaszczyzny uziemienia.
W rezultacie droga przepływu prądu sygnału cyfrowego o dużej częstotliwości pokrywa się z płaszczyzną uziemienia analogowego, a takiego przypadku staramy się unikać. Ponadto utworzyły się dwie całkiem porządne anteny pętlowe, które będą promieniowały sygnały. Aby metoda podcinania płaszczyzny uziemienia była skuteczna, należy zadbać o to, by komponenty analogowe i cyfrowe były umieszczone po odpowiednich stronach cięcia. To samo dotyczy też trasowania połączeń. Przykład prawidłowego rozprowadzenia ścieżek przedstawiono na rysunku 16. Ścieżki sygnałowe są prowadzone tak, aby nie przechodziły przez przecięcia powierzchni masy. Prądy powrotne płyną pod ścieżkami sygnałowymi, minimalizując obszar pętli, ponieważ jedynym czynnikiem oddzielającym ścieżkę sygnałową od płaszczyzny uziemienia jest grubość płytki. Żaden z prądów powrotnych nie przecina płaszczyzny uziemienia, co wynika ze świadomego rozłożenia elementów na płytce. Również ścieżki zostały poprowadzone w obrębie odpowiednich obszarów. I teraz wniosek najważniejszy: ponieważ na takiej płytce nie ma prądów przecinających cięcia obszarów mas, takie cięcia nie spełniają już swojej funkcji i są niepotrzebne – można z nich zrezygnować. Nie jest to jednak wniosek ogólny, gdyż nie zawsze taki podział powierzchni mas jest możliwy. Nie można tak zrobić na przykład na płytkach zawierających wiele układów z sygnałami mieszanymi. Nie jest to jednak koniec problemów – pozostał jeszcze problem prowadzenia ścieżek zasilających.
Ścieżki zasilające
W praktyce źródła zasilania obwodów analogowych i cyfrowych znajdują się bardzo blisko siebie albo jest to wręcz jedno źródło. Ścieżki zasilające i prądu powrotnego muszą więc znaleźć się tylko na jednej stronie cięcia powierzchni uziemiającej. W tym przypadku wszystkie prądy powrotne DC (i prądy dla sygnałów o częstotliwościach na tyle niskich, że ich źródłem jest zasilacz, nie kondensatory blokujące) po drugiej stronie cięcia muszą przepływać przez wąski mostek uziemienia, a nie prosto najkrótszą drogą do pinu prądu powrotnego zasilacza. Wskutek tego wydłuża się droga przepływu prądu, a zatem pojawia się dodatkowa rezystancja, na której następuje spadek napięcia. Taka konfiguracja nie stanowi problemu dla prądów powracających z ADC, jeśli do wyprowadzeń tych układów prądy wpływają, ponieważ prądy te powracają z obu pinów uziemienia znajdujących się na mostku. Niemniej, prądy z pinów uziemiających innych elementów muszą przepływać drogą pośrednią. Prądy te przedstawiono na rysunku 17.
Usuwanie cięć
Rozważmy jeszcze przypadek, co by się stało, gdybyśmy usunęli cięcia (rys. 18)? Prądy powrotne DC będą po takiej operacji miały znacznie prostsze, bezpośrednie drogi przepływu. Zmniejszą się ich oporności, a więc wystąpią na nich mniejsze spadki napięć.
Rozważania są dość łatwe dla tak prostych płytek, jak w omawianych przykładach. Co się jednak będzie działo, jeśli wzrośnie liczba elementów i połączeń? Czy można na taki przypadek przełożyć wnioski z płytki zawierającej jedno połączenie?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, przeanalizujmy płytkę zawierającą dwa identyczne układy, jak w poprzednich przykładach (rys. 19). Jak widać, w takiej konfiguracji nie jest możliwe uzyskanie pojedynczego punktu uziemienia. Ale czy byłoby tak nadal, gdybyśmy obrócili jeden układ o 180°? Faktycznie, powstałby jeden punkt uziemienia, jednak wówczas analogowa część płaszczyzny uziemienia jednego układu nałożyłaby się na płaszczyznę cyfrową drugiego i vice versa. Powstałby trudny do opanowania chaos. Co by się stało, gdyby było więcej układów? Lepiej nie myśleć. Ten pomysł należy odrzucić. Powróćmy do zabiegów stosowanych w poprzednich przykładach. Wyobraźmy sobie, że pozostawiamy linie cięcia pod obydwoma układami. Następnie tak umieszczamy elementy na płytce, aby ścieżki nie przecinały szczelin płaszczyzny uziemienia. Może się zdarzyć, że sygnały analogowe układu IC1 będą współdzieliły ścieżki uziemienia z sygnałami analogowymi układu IC2. Konfigurację taką przedstawiono na rysunku 20. Prądy sygnałowe (zaznaczone kolorem czerwonym) i prądy powrotne AC (linie pomarańczowe) będą się ze sobą pokrywały. Sytuacja jest analogiczna jak w przykładzie z jednym układem. Żaden z prądów "nie chce" płynąć przez linię cięcia, więc można ją wyeliminować. Zasadę tę można stosować również dla bardziej skomplikowanych konfiguracji, ale...
Zwykle występują jeszcze pewne ograniczenia mechaniczne, takie choćby jak rozmieszczenie gniazd, łączówek, przełączników itp. Elementy te będą utrudniały przepływ prądu szczególnie w zakresie DC lub niskich częstotliwości w bezpiecznej odległości od obwodów, które powinny być chronione. W takich przypadkach cięcia płaszczyzny uziemienia mogą okazać się konieczne. Muszą być jednak wykonane z rozwagą. Działania powinny być prowadzone dwutorowo. Być może jest to ostatni moment do kompromisowego skorygowania rozmieszczenia elementów mechanicznych na płytce. Czasami jest to niemożliwe, gdyż zewnętrzne wymagania mogą narzucać konkretne położenia np. interfejsów na płytce. Drogi przepływu niektórych prądów mogą wypadać w tych obszarach, w których bardzo byśmy tego nie chcieli.
Powracający problem cięcia płaszczyzn uziemienia
Rozpatrzmy przykład płytki drukowanej zawierającej zarówno bloki analogowe, jak i cyfrowe. Trzymając się poznanych zasad, rozmieszczamy na niej elementy tak, jak to przedstawiono na rysunku 21. Wszystko zrobione zgodnie ze sztuką. Zakłócająca część cyfrowa znalazła się w jednym miejscu w oddaleniu od czułej części analogowej. Układy pełniące jednocześnie funkcje analogowe i cyfrowe również umieszczono w obszarze granicznym, aby uniknąć kłopotów. Nie mniej istotne jest takie umieszczenie stabilizatorów napięć zasilających, aby prądy powrotne wyższych częstotliwości dla bloków cyfrowych i analogowych nie miały możliwości współdzielenia ścieżek. Pamiętamy jednak, że prądy DC i prądy niskich częstotliwości będą płynęły powrotnie do punktu uziemienia źródła zasilania znajdującego się w lewym dolnym rogu płytki drogą o najmniejszym oporze, a więc prostoliniowo. W rezultacie duże prądy DC i prądy niskich częstotliwości z dolnego prawego obszaru bloku cyfrowego popłyną bezpośrednio przez czułe obwody analogowe. Taką niefortunną konfigurację można naprawić, wstawiając poziome cięcie płaszczyzny masy między sekcjami analogowymi i cyfrowymi, które rozpocznie się od prawej krawędzi płytki. Nie chcielibyśmy jednak prowadzić sygnałów interfejsu między sekcjami analogowymi i cyfrowymi przez to cięcie. Takie rozwiązanie wydłużyłoby drogę sygnału cyfrowego, co mogłoby być z kolei niewskazane szczególnie dla szybkich sygnałów cyfrowych.
Innym pomysłem byłoby wstawienie cięcia pionowego pomiędzy blokiem analogowym i stabilizatorami napięć dla tych bloków, co spowodowałoby wymuszenie przepływu prądów powrotnych sekcji cyfrowej z daleka od sekcji analogowej. Konieczne by było wówczas skierowanie zasilania bloków analogowych dookoła tego cięcia. Rozwiązanie przedstawiono na rysunku 22.
Droga najmniejszego oporu dla prądów powrotnych DC płynących od układów cyfrowych do masy źródła zasilania nie jest już linią prostą. Prądy te płyną teraz powyżej cięcia, omijając obwody analogowe. Wygląda na to, że cel jest osiągnięty. Zawsze jednak można się dopatrzyć jakiegoś "ale". Bo co się stanie, jeśli na płytce będzie kilka szyn zasilania układów analogowych? Zastosujemy więc ostatnią modyfikację polegającą na przeniesieniu stabilizatorów napięć dla sekcji analogowej na drugą stronę cięcia, czyli na stronę układów analogowych (rys. 23).
To nie koniec problemów
Przedstawione w artykule problemy związane z projektowaniem PCB oraz metody ich rozwiązywania nie wyczerpują oczywiście wszystkich zagadnień. Do wytwarzania napięć użyliśmy na przykład stabilizatorów liniowych, gdy tymczasem projektanci coraz częściej wybierają przetwornice impulsowe. Już na samą myśl o układach impulsowych musimy być przygotowani na problemy. Inne zagadnienie to na przykład integralność sygnałów. Zwykle problemy pojawiają się przy bardzo wysokich, gigahercowych częstotliwościach, dla których należy liczyć się z przesłuchami między prowadzonymi blisko siebie równoległymi ścieżkami. Z wysokimi częstotliwościami związane jest ponadto rozmycie pojedynczej drogi przepływu prądu, o czym wspomniano, cytując pracę dr. Bruce’a Archambeaulta.
Podsumowanie
Podczas projektowania PCB najważniejsze jest pamiętanie o dwóch zasadach:
- Prądy DC i prądy o niskich częstotliwościach płyną po linii prostej o najmniejszej rezystancji między źródłem a obciążeniem.
- Prądy sygnałów o wysokich częstotliwościach płyną ścieżką o najmniejszej impedancji, czyli pod ścieżką sygnału. Częstotliwości pośrednie płyną obiema wymienionymi drogami.
Pomysł wprowadzania cięć płaszczyzny uziemienia mający na celu minimalizację wzajemnego wpływu na siebie różnych obwodów jest na ogół niepotrzebny. Warunkiem jest jednak przemyślane umieszczenie elementów na płytce, a także odpowiednie trasowanie połączeń. Cięcia płaszczyzny uziemienia są niezbędne w przypadku, gdy nie mamy pełnej swobody w rozmieszczaniu elementów na płytce. Cięcia takie muszą być wykonywane jednak po dokładnym przeanalizowaniu rozpływu wszystkich prądów. Należy również pamiętać o tym, by nad cięciem płaszczyzny uziemienia nie przechodziły żadne ścieżki umieszczone na innych warstwach.
Jarosław Doliński
