jordplan och jordplan (analog + digital)

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 21555
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av 4kTRB »

Jag har bra erfarenhet av att dela in digitala och analoga delen var för sig
på ett pcb. Mitt A/D-kort till "Resistor Match" visade sig fungera väldigt
bra. http://elektronikforumet.com/forum/view ... h&start=60
E Kafeman
Inlägg: 3767
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av E Kafeman »

Dela eller inte dela på jord plan är inte annorlunda än om vi vill låta kretsar dela på plan för spänningsmatning. Det är noll problem så länge det inte orsakar gemensamma loopar. Kraft, analog, digital och RF plan har lite olika förutsättningar för detta. Enklast är att förhindra att man får crosstalk, överhörning, mellan olika signaler via strömloopar. Ett sätt att försäkra sej om att gemensamma loopar ej uppstår är att ha allt separerat, helst i olika skärmboxar på olika platser utan någon metallisk förbindelse. Det är logiskt och lättförståligt att det då blir mindre inbördes störningar, EMI.

Av praktiska skäl fungerar denna separeringen inte om alla olika enheterna tillsammans inte får vara större än en tvålkopp.
När man planeraren kompakt bygge där många olika signaltyper ska samsas så ser lite olika på de olika planen. Rent digitala signaler klarar lite skräp på jorden medans analoga kretsar inte har någon marginal alls förrens det sätter ner prestandan. Digitala kretsar med snabba flanker eller rent av RF-steg med någon GHz kan se jorden som en helt duglig antenn. Vill man minska oavsiktlig RF-utstrålning, som sedan kan smitta omkringliggande kretsar trådlöst, gör man antennen så kort som möjligt. Samma gäller för all EMI, det är gyllene regel att signalloopar ska hållas så korta som möjligt. För låga frekvenser och låga strömmar vid goda ledaravstånd, så länge kraft eller jord inte korsar varandra, finns ingen risk för inbördes påverkan mellan olika kretsar och man kan dela jordplan eftersom ingen ström kommer flyta korsom vartannat.
Är layouten sådan att varje signalslag i varje avseende har sin ö på jordplanet så är det fortfarande en ö även om de helt hänger ihop, eftersom strömmen dem emellan är noll.
Samma sak AD-omvandlaren enligt tidigare bild, splittning av jordplan gör det lättförtsåligt att man inte heller skapar mixade signalslingor utan att det kostar problem. Finns inga mixade signalslingor så har inte heller den halvdana delningen av jordplanet någon roll mer än ur pedagogisk synpunkt.

Dessa öar utan någon som helst problem med gemensamma loopar ser bra ut på bild på EMI-kursen, men ofta ser verkligheten betydligt mer komplex ut. Det kan finnas behov av analoga signaler på diagonalt motsatta sidor av ett kretskort och även digtal kan det finnas signaler och strömförsörjninng som routas tvärs över. I ena änden finns kanske grafikkretsar och i andra änden sitter någon minnesbuss som hanterar det som så småningom ska bli grafik. Kanske finns det även RF som distrubuerar analoga signaler varför dessa på ett eller annat sätt behöver dela t.ex. signaljord. Även om man försöker lägga layouten på bästa sätt så blir det kompromisser. Genom att sektionera i lager eller öar kan man då åtminstone delvis ta hand om de värsta problemen.
Bild
Sektionering kan misslycka och få motsatt effekt.

Bild
För att förhindra onödiga looparea samt undvika mixa fel sorters returströmmar kan man separera jordplan. Här har man i princip skapat ett jordplan för en enda signal.

Bild
Här ett exempel på när ett helt jordplan ökar EMI-problematiken.

Bild
Så här brukar man hantera RF-jord i en mobiltelefon.

Man behöver bara komma upp i ett antal MHz så är digtala jordstudsar högst mätbara även i de mest solida jordplan. Jordplanet är ingen absolut-konstant utan spänningen i olika delar av jordplanet kan variera betydligt.
En mobiltelefon, 900MHz med monopol-antenn, när den sänder utnyttjas hela jordplanet som 1/4-vågs längd av antennen. Det innebär att spänningsskillnaden mellan olika delar på samma jordplan skiljer upp till flera volt när telefonen sänder. Det har hänt mer än en gång att reset-linan in till en processor i en telefon aktiverats till synes omotiverat men som visat sej bero på feldesignat jordplan.
Egentligen skulle man inte kalla det för jordplan, då det leder tanken till något statiskt. Ström-återförare kanske?

Kontentan är att det går designa både med solitt jordplan såväl som sektionerat, vart och ett har sina utmaningar. Är man osäker på om man klarar att hantera strömåterföringen på kontrollerat sätt för såväl signal som kraft, ger delat jordplan/spänningsplan/signalplan enklare tänkesätt och oavsiktliga grodor undviks. Skulle trots allt ett problem uppstå så är det enklare att finna källan.

EMC-problematiken är alltid mindre på det korta jordplanet, då det är sämre antenn och det finns mindre utrymme för onödiga jordloopar.
Användarvisningsbild
Swech
EF Sponsor
Inlägg: 4764
Blev medlem: 6 november 2006, 21:43:35
Ort: Munkedal, Sverige (Sweden)
Kontakt:

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av Swech »

:tumupp:
Lyfter på hatten Kafeman

Swech
Användarvisningsbild
psynoise
EF Sponsor
Inlägg: 7242
Blev medlem: 26 juni 2003, 19:23:36
Ort: Landvetter

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av psynoise »

E Kafeman:

Intressant, har du några tips på läsvärd litteratur?
superx
Inlägg: 1127
Blev medlem: 19 juni 2012, 23:28:16
Ort: Linköping

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av superx »

4kTRB: Inte för att vara ofin, men en 8-bitars A/D med lågpassfilter vid 30Hz är rätt långt ifrån den 24-bitars-krets som är aktuell här.

Jag är av den uppfattningen att om man inte vet vad man håller på med så är det bättre att köra på ett jordplan. Delade plan ser enkelt ut på de där schematiska läroboksbilderna, men det blir ju aldrig så i praktiken. Nåja, så har de varit för de prylar jag har kommit i kontakt med iaf. När det gäller mobiltelefoner och RF-prylar generellt är det säkert lite annorlunda.

Visa gärna mer av kretsen så får vi mer diskussionsunderlag, för detta är onekligen både klurigt och intressant!
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av blueint »

@E Kafeman, superbra inlägg :tumupp:

För att sammanfatta:
* Dela på jordslingor
* Egna returledare om möjligt
* Skärma mot utstrålad störning
* Korsa vinkelrätt
* Loopar skall hållas korta
* Håll ihop ledare med eget jordplan
* Separata jordöar med gemensam knutpunkt
* Jordströmmar följer vägen med minsta induktansen
* Lägg ledare runt ev urtag
* Separera olika jordplan med små ledare till andra jordplan (för t.ex RF)

(om någon upptäcker tråden senare och vill ta in några snabba tumreglar)
superx
Inlägg: 1127
Blev medlem: 19 juni 2012, 23:28:16
Ort: Linköping

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av superx »

* Dela på jordslingor
Låter ju enkelt, men vad innebär det i praktiken?
* Egna returledare om möjligt
För vilken applikation då? För ett audio-slutsteg kanske, men jag tror inte på detta som någon generell tumregel.
* Separata jordöar med gemensam knutpunkt
Så här?
patch_antenna.jpg
Risken för att man bygger en antenn om man inte vet vad man håller på med är mycket större med den lösningen än med ett helt jordplan tror jag.

Nu låter jag gnällig, men jag tror det är svårt med generella tumregler utan att gå närmare in på en given applikation.
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
E Kafeman
Inlägg: 3767
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av E Kafeman »

Vad som inte syns på din bifogade antenn är att hela undersidan består av ett solitt jordplan. De fyra avstämda PCB-ytororna ovanpå, har en storlek som ger bra koppling till omgivningen vid en specifik frekvens, troligen 2.4 GHz.
Man kan dra många paraleller mellan denna antenn och andra avsiktlig antenner relativt EMI-relaterade situationer på vanlig kretskort. En sak som kan vara nog så viktig är vilken av ytorna som är jordplanet. Lita av hönan och ägget för din antenn i det avssendet.

Det vanliga är att de slingor som skapas på ett kretskort är medium effektiva antenner och om t.ex. en lednings-längd blir anpassad till olämplig frekvens är det helt oavsiktligt.

För separata returledare relativt frekvens så är det vid höga frekvenser induktiva skillnaden är störst, enligt bilden med kondensatorn, som jag bifogade ovan. 2.4 GHz är rätt högfrekvent t.ex.
Resistiva förluster ger sej mer till känna pga av spänningsfall, vilket komponenter som sitter halvvägs utefter spänningsfallet kankse inte mår bra av. Resistiva förluster brukar skapa problem pga höga strömmar, både LF och RF.
Eftersom vaje ny design är unik så går det inte säja hur pass väl okända kretsar tål att sitta halvvägs i en returström.
Inga tumregler på detta, som designer bestämmer du själv var ribban ska ligga. Vill du bygga kretsdesignen på en yta motsvarande din patch-antenn är det ok och storleken är synnerligen väl vald för låg utstrålning av frekvenser under antennens egenresonans. Inte ens snabba digital kretsar brukar skapa större problem över 2.4 GHz. En ide kan vara att ge analog småsignal en helt egen ö. Absolut ingen nackdel.
Annat exempel, för att spara utrymme kan sändar-elektronik och antenn vara samma struktur.

Jordöar handlar inte om att nödvändigtvis skapa synliga öar, det är mer att organisera sin layout så att man inte skapar stora eller olämpligt delade jordslingor. Det kan mycket väl se ut som din antenn men det går även göra det till synes mer mixat mellan olika typer av signal-strömmar men kräver att man då verkligen vet vad man håller på med eller har tillgång till EMI-simulering av kretskortet.

Ang. jordplans storlek relativt antennegenskaper, ju kortare två ledande plan är relativt 2*0.25 lambda, ju sämre möjlighet att avge RF, är ingen tumregel utan mer fundamentalt fastslaget.
Att det står 2* är för att en antenn alltid har mer än en pol t.ex. jordlager-utsträckning samt någon annan ledning.
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av blueint »

@superx,
* Returledare för olika ändamål bör inte dela samma fysiska ledare (inom rimliga gränser)
* Egna returledare kan vara lämpligt för t.ex snabba signaler
* Jordöar lär väl bli något åt det bilden visar
superx
Inlägg: 1127
Blev medlem: 19 juni 2012, 23:28:16
Ort: Linköping

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av superx »

Jag är skeptisk när det gäller separata returledare för snabba signaler. Jordplan tror jag är att föredra för t.ex. klockor till micro-processorer och snabba seriebussar etc. Egna returledare får garanterat högre induktans. Dessutom kommer de separata returledarna dela upp de kopparytor man annars kunde använda till något som liknar ett jordplan. Det är lite dumt att prata om detta i generella termer, men jag tänker närmast på digitala konstruktioner med någon MCU, kanske någon A/D-omvandlare etc. 2-lager eller max 4. Alltså sådant som folk här ofta håller på med. Bygger man RF-prylar som sänder ut någon watt vid GHz gäller säkert andra saker, men bygger man sådant vet man antagligen vad man håller på med.
E Kafeman
Inlägg: 3767
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av E Kafeman »

Det är alltså till klocksignaler du tycker detta är tveksamt?
Bild
Framgår inte av bilden men klocksignalen ligger inte i jordplanslagret, däremot gör guard-traces det.
Det är en oerhört effektiv metod att hålla nere looparean.
För att förstå varför bör man lära sej lite om hur jordströmmar uppträder, vilket kan vara värt ett par böcker bara det, men kan sammanfattas med att strömmen tar alltid enklaste vägen.
Det ger onödiga EMI problem om den vägen inte sammanfaller med minsta möjliga looparean. Min uppskattning är att det skiljer mer än en faktor 100 i looparea med lösningen enligt bilden resp att använda helt jordplan. De ökade induktiva förlusterna är i detta sammanhanget inte detsamma som ökade signalförluster utan tvärs om, om det görs rätt. Jämför med en koaxialkabel, som är en lång radda av induktans (samt kapacitans).

Det efterfrågades litteratur i ämnet tidigare i tråden, men tyvärr är det symptomaiskt att de som sprider mest böcker i ämnet inte hänger med något vidare i modern utveckling och mycket är rena felaktigheter. Många sitter än idag som forskare på universitet och skriver om hålmonterade komponenter och max dubbelsidiga PCB. Ett typexempel på ett sådant känt EMI-namn är Mark Montrose, som rätt nyligen skrev en artikel om en EMI teknik som jag fick beviljat patent på för 30 år sedan, och han missade poängen. Nåja, det handlade specifikt om digitala DIL-kretsar som knappast finns längre, men tydligen duger det fortfarande att skriva om. Tyvärr är det rätt typiskt för den moderna EMI-littratur som finns, den handlar mest om att sälja skolböcker. Don White skrev vad som på 80-talet betraktades som en enastående RFI/EMC-bibel och ansågs innehålla den absoluta EMI-sanningen. Boken var tätskriven på 800 sidor. Totalt inaktuell i dag, men jag har den som ett gott bokstöd för andra böcker. Var själv och hämtade boken i hans lab.
Skulle jag rekommendera allmänt informativ läsning finns en del PDF och Powerpoint på Analog Devices hemsida som överlag är av bra kvalitet.
Zulki Khan, VD på Nexlogic, är mycket kunnig, men skriver inte så mycket men det går hitta lite tidningsartiklar, däremot lever han på att göra bättre jobb med PCB-layout än vad de flesta klarar. Har själv sett hans maskinpark, vilket imponerade.
En artikel av Zulki: http://www.cotsjournalonline.com/articles/view/100440
En splitter ny artikel om honom:http://issuu.com/eeweb/docs/06-2014-mod ... 11/8102413
Sedan har vi våran svenska EMI-guru, Sten Benda, som jobbade med sådana frågor på ABB i Västerås och har skrivit några böcker både på svenska och engelska, men han var mer på kraft-elektronik-sidan. Har träffat honom flera gånger, men har inte fått någon bok ;-)
I övrigt rekommenderar jag allmänt källkritisk läsning av det som google ger. Verkar gubben som skriver vara icke yrkesaktiv skolboksförfattare eller i senil ålder, hoppa över.
Jag är varken forskare eller yrkesaktiv inom EMI-facket, är möjligen på amatör-stadiet men har tyngdpunkten mer på RFI, så att jag har lite negativa åsikter om mycket av litteraturen kanske inte stämmer, men för den som aktivt söker mer info, kan ju ha min åsikt i baktanke.
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av blueint »

Intressant teknik med jordledare på båda sidor.

Rent allmänt kanske det är lika bra och ge upp och dyka ner i elektromagnetisk fältteori för att verkligen veta mer? ;)
superx
Inlägg: 1127
Blev medlem: 19 juni 2012, 23:28:16
Ort: Linköping

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av superx »

Jag förstår inte bilden. Ligger inte de olika ledarna som visas i samma lager? Ansluter guard-ledaren till ett jordplan via de blåa viorna?
blueint
Inlägg: 23238
Blev medlem: 4 juli 2006, 19:26:11
Kontakt:

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av blueint »

En fråga, skulle man kunna lägga de i samma lager och uppnå tillräcklig funktion? vilka frekvenser rör detta? (bra för t.ex 2-lagers)
gkar
Inlägg: 1617
Blev medlem: 31 oktober 2011, 15:28:29
Ort: Linköping

Re: jordplan och jordplan (analog + digital)

Inlägg av gkar »

I exemplet ovan, är inte "clock traces" och "guard traces" i samma lager, med ett jordplan under?
Skriv svar