Colocación de Vias para conectar planos de tierra

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Me he estado preguntando mucho sobre las prácticas de conexión a tierra en diseños de PCB. Mi primera pregunta al respecto trata con vias. Me he dado cuenta de que en una PCB simple de 2 capas con planos de tierra en ambos lados, normalmente habrá algunas o varias vías separadas para conectarlas con una impedancia mínima entre los dos vertidos de cobre.

Sin embargo, en un panel de RF, la colocación vía parece mucho más deliberada y me pregunto sobre la teoría detrás de esto. Las vías que conectan los planos de tierra a menudo bordean la traza de RF. Vea este ejemplo de guía de onda coplanar diferencial:

TambiéntengounasegundapreguntasobrelaconexiónatierraenPCB.¿Cuándoesapropiado"aislar" los planos de tierra unos de otros? ¿Y cómo el hecho de tener los planos de tierra en una capa (por ejemplo, arriba) aislados unos de otros ayuda cuando ambos planos de tierra están conectados al mismo plano de tierra en la parte inferior a través de vías? Cuando tenemos estos planos de tierra aislados, ¿la colocación vía difiere de cualquiera de los casos anteriores?

Nota: soy consciente del posible duplicado aquí pero no estoy satisfecho con las respuestas y creo que mi pregunta pide más detalles.

Gracias por la información.

    
pregunta NickHalden

3 respuestas

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El diseño que mostró se parece a lo que se llama guía de onda coplanar con respaldo de cobre (CBCPW). Eso significa que el retorno a tierra para la guía de ondas no solo se encuentra en los terrenos coplanares (el terreno se llena en la misma capa que las trazas de señal) sino también en la capa plana inmediatamente "debajo" de la capa de señal. Esta estructura es bastante esotérica, en el sentido de que solo la he visto utilizada en sistemas digitales cuando las velocidades de datos superan los 20 Gb / s.

Encontré lo que parece una discusión razonable sobre las diferencias entre CBCPW y microstrip en un Artículo de Microwave Journal por los ingenieros de Rogers Corp.

Este artículo muestra que el CBCPW tiene una pérdida menor que el microstrip en frecuencias donde la pérdida de radiación se vuelve importante en el microstrip, aproximadamente desde 25 GHz y más, lo que explica por qué el CBCPW no se usa ampliamente en frecuencias más bajas.

Respondiendo a su pregunta, el artículo señala algunos requisitos especiales para las vías de conexión a tierra en las estructuras de CBCPW:

  

Para una conexión a tierra adecuada, los circuitos CBCPW emplean vías para conectar los planos de tierra coplanares de la capa superior y el plano de tierra de la capa inferior. La ubicación de estas vías puede ser crítica para lograr las características deseadas de impedancia y pérdida, así como para suprimir los modos de onda parásita.

Básicamente, esto significa que, sin las frecuentes vías de costura entre el fondo coplanar y el fondo, la potencia podría transferirse a modos de propagación no deseados, lo que causaría una pérdida de inserción excesiva o una fuerte dispersión en las características de la línea de transmisión.

    
respondido por el The Photon
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Parte 1: Una ranura larga en un plano de tierra del lado superior puede actuar como una antena, tanto en términos de radiación como de captación de corrientes que intentan fluir perpendicularmente a la ranura. Puedes pensar en una ranura como un "cable negativo" de clases. Puede encontrar más detalles en aquí .

Las corrientes de alta frecuencia que intentan pasar de una parte del plano de tierra del lado superior a otra (que fluye perpendicular a la traza de RF) se obligan a fluir alrededor de los bordes de los espacios entre las piezas. Ahora considere qué sucede si la longitud de la ranura es igual a la mitad de la longitud de onda de la corriente. El voltaje a través de la ranura se fuerza a cero en los extremos de la ranura (donde están conectadas las piezas), pero esto significa que la diferencia de voltaje en la ranura será mayor en el centro de la ranura. De manera similar, la corriente (a través de la ranura) se fuerza a cero en el centro de la ranura, pero es máxima en los extremos de la ranura. Este es el "doble" eléctrico de una antena de cable de media onda ordinaria, en la que la corriente es máxima en el centro y la tensión máxima en los extremos. La ranura y el cable son igual de efectivos que las antenas, que acoplan la energía de RF desde y hacia el espacio que las rodea.

Las vías múltiples que conectan ambos lados de la ranura al plano de tierra sólida en el otro lado "cortan" esta antena de ranura, eliminando ese problema.

Parte 2: planos de tierra independientes para ciertos subsistemas "ruidosos" (o, para el caso, subsistemas que necesitan ser particularmente "silenciosos") en una placa, que están conectados al sistema - nivelar el plano de tierra en un solo punto, sirve para limitar las corrientes de retorno de las señales dentro de ese subsistema a solo esa área de la placa, evitando que afecten (o se vean afectados por) otros subsistemas en la placa.

Por ejemplo, supongamos que tiene un sistema de adquisición de datos basado en un microprocesador que tiene un ADC de alta resolución y algunos circuitos de acondicionamiento de señales analógicas en sentido ascendente. Puede crear un plano de tierra para el circuito analógico y otro para el microprocesador y su cristal y otros periféricos digitales (por ejemplo, un gran chip de memoria flash), y conectar cada uno de estos a un plano de tierra del sistema (o entre sí) en solo un punto Esto mantiene el ruido de alta frecuencia del cristal y las otras señales de E / S digitales de conmutación rápida del microprocesador fuera del plano de tierra para los circuitos analógicos sensibles. Verá esto si observa los diseños de paneles de evaluación que los fabricantes producen para sus chips ADC y DAC de alta resolución.

    
respondido por el Dave Tweed
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En CPW o Coplanar Wavequide, la energía de RF está entre los conductores en la parte superior del sustrato. Esto es común en los semiconductores, donde es difícil acceder a un plano de tierra y las distancias son muy cortas. Para los PCB, debe haber una conexión a tierra inferior y esto se conoce como guía de onda coplanar conectada a tierra (CPWG) o guía de onda coplanar respaldada por conductor (CBCPWG). El espacio entre las vías es crear una pared virtual en la que la energía de RF no puede filtrarse. Cuanto mayor sea la frecuencia, más corta será la longitud de onda y más cercanas estarán las vías. Aquí hay un enlace a un documento que muestra esto a través de pruebas de diferentes tableros en las páginas 14 a 21.

enlace

    
respondido por el Bill Rosas

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