jordplan och jordplan (analog + digital)

[superx]

Jo, det var vad jag trodde också, men jag tolkade Kafemans kommentar som att guard-ledarna ligger i ett annat lager, och då bryter jordplanet i det lagret.

[E Kafeman]

Guard trace, guard track, guard ring kan vara många olika varianter och kan ha många olika syften, en vanlig variant är som ESD-skydd och det finns tillfällen då den inte är relaterad till jord ens en gång.
Om den är en egen ledning, eller skapar en ledning genom att ta bort material i en befintlig yta bestäms av vad som är effektivast i aktuellt PCB. Ligger det redan ett jordlager tätt under signalledaren blir det inte så effektivt att skapa ytterligare en jord-ledare som omger signalledaren med någon millimeters avstånd i samma lager, då det inte kommer binda returströmmen något vidare.
Det är en transmissionledare man vill skapa. I en sådan vill returströmmen gå samma väg som signalledaren, fast med motsatt tecken, dvs ungefär som en koaxkabel fungerar.
Finns det en kortare väg tvärs över jordplanet för returströmmen, måste man bryta denna genom att lägga spår i jordplanet.
Genom att välja bredd på ledare och spår kan man styra för en viss impedans för att på så sätt få mindre reflektioner. Mindre reflektion innebär per automatik mindre utstrålning till omgivningen och mesta möjliga energin i klockan kommer avsedd mottagare tillgodo.
Oftast är klocksignalen den snabbaste signalen, dels som klockfrekvens och dels med mest krav på flankbranthet, varför dess signal är den som är svårast att leda fram med minst förluster över ett jordplan. Genom att göra en transmissionledare så minskas inte bara förlusterna utan oftast minskar även klock-jitter, vilket ibland kan vara viktigt. Vem har inte gjort en PCB-design där kristallen slutar svänga när man lägger handen på en helt annan del av jordplanet? Det beror på att kristallens returström blivit utsmetad över stor del av jordplanet. Med en tranmissionsledare hade aldrig denna påverkan funnits.

Det går göra guarder även i enlagers-kort, tvålagers är rätt vanligt.

Här ser vi exempel där man är mer intresserad av att förhindra överhörning än att skydda en enskild signal-ledare.
Man kallar det även guard-trace när man lägger en jordad ledare mellan två paralella ledare, för att minska koppling mellan de bägge signalledarna (crosstalk). Det fungerar måttligt bra om man inte även tar hänsyn till gångvägen för de bägge returströmmarna.

Om det är så att man skär spår i jordplanet så måste man tänka på att spåret inte får bryta eller förlänga looparean för andra väsentliga signaler. Effekten är ju ungefär som med tidigare bild på AD-omvandlare med slits-skilda jordplan där signalvägarna inte fick korsa slitsen fast här är det slitsen som inte får korsa signalvägen. Kräver en hel del eftertanke innan man trycker på autoroute.

[superx]

Så i vilka lager ligger ledarna i förra bilden?

[jesse]

Har äntligen fått lite tid att läsa den här tråden nu på kvällen. Mycket intressant! Tackar alla för era bidrag. Tillsammans ger det en till synes splittrad bild, men tänker man på att olika lösningar är bra i olika situationer så kan man dra fördelar av alla varianterna.

Det aktuella fallet handlar inte om RF (Jo, RF finns också med, men behandlas separat) utan om lågpassfiltrerade DC-signaler som ska mätas ganska lågohmigt, upp till 12 volt och max 100 mA. En 16-bitars ADC kommer antagligen att duga för ändamålet, men denna ADC finns i både 16- och 24 bitars varianter, och vi tänkte lägga in en 24-bitars i prototypen för att se hur bra man kan få det. På samma kretskort finns ett antal reläer, transistorer som driver reläerna (ULN2003), I2C-buss med ett antal I2C-kretsar med ett stort antal digitala I/O som i sig inte kommer att göra några omslag under själva DC-mätningen, men I2C-bussen kommer ju att köra sitt race och reläerna gör sitt med eventuell DC-bias på jordplanet. Dessutom finns ett antal 4-20 mA analoga ingångar som också kan skapa jordströmmar (Även här långsamma förlopp, men eftersom de är externa kan det komma in högre frekvenser utifrån som leds ner till jord via kondensatorer). Dessa analoga ingångar är inte så noga med, men de får inte påverka de väldigt känsliga analoga delarna i mitten av kretskortet.

Kretskortet är just så splittrat som Kafeman säger, med blandade analoga och digitala signaler i alla ändar av kortet. Jag ska försöka samla dem så bra jag kan men vissa saker är oundvikliga. De känsliga delarna kommer antagligen oundvikligen att korsas av ett gäng ledare bort till reläspolarna.

Men jag börjar få en bild av vad som är viktigast i det här läget. I nästa vecka kommer jag antagligen att få reda på mer exakt hur kretskortet måste se ut, och då måste jag också besluta mig för hur jag ska göra med jordplan.

[superx]

Ja, det låter ju onekligen som ett knepigt fall. Låga frekvenser och DC-strömmar talar på sätt och vis för uppdelade jordar, men du får nog bygga och testa!

För att göra livet enklare har jag använt isolerade DC/DC-omvandlare i vissa fall (typ RECOM 0505) i kombination med någon galvanisk isolerad signalöverföring, t.ex. Silicon Laboratories Si86xx eller ADUM-serien från Analog. Då får man ett galvaniskt isolerat system och undviker garanterad jordslingor etc. Praktiskt för testgrejer och USB-anslutna mätprylar etc. men kanske inte ekonomiskt försvarbart i en kommersiell produkt.

[sir88alex]

Finns det en kortare väg tvärs över jordplanet för returströmmen

Vilka frekvenser är det vi prata om här? Returströmmen kommer alltid att ta den väg som erbjuder lägst impedans. För DC är detta vanligtvis den kortaste vägen då impedansen i stort sett bara beror på resistansen. Ökas frekvenserna blir induktansen den dominerande faktorn vilket gör att returströmmen vill gå så nära framledaren som möjligt, inte den kortaste vägen. Detta förutsatt att det inte är allt för långt avstånd mellan de båda lagren (signal och jordplan).

Att använda guard-traces för att förhindra crosstalk är inget jag skulle göra av den enkla anledningen att de faktiskt kan bidra till att sprida crosstalk till andra ledare. Framledaren kopplat mot guard-tracet som i sin tur kopplar till andra ledare om man har otur.

[E Kafeman]

Har lite begränsade svarsmöjligheter för tillfället, men frekvens med avseende på klocka har problemet att den som fyrkantsignal kommer erbjuda längre gångväg för dess högfrekventa komponenter än vad själva grundfrekvensen ligger på vilket förutom EMI-problematiken på en obrutet jordplan vilket kan leda till distorderad klocka eller i värsta fall inte fungerar alls.
Någorlunda bra lösning är en i kretskortet balanserad tranmissionsledare med avpassad impedans för minsta reflektion, men inte alltid en praktisk lösning.
Guard traces i betydelsen uppfrästa spår i jordplan (jämför tidigare bild på AD-omvandlare) kan då tvinga de olika frekvenskomponenterna att ta gemensam väg samt att hålla ned loop-arean.
Men, ett viktigt men, splittar i jordplan gör att andra signalströmmar som får dessa splitar i sin gångväg blir lidande. Därför är det bättre att placera klockoscillator på ett sådant sätt att dess utpinne ligger närmsta granne med inpinne på processorn, så blir guard-traces en onödigt och minsta loop-area uppnås.
Sedan finns ett annat problem och det är att uppfrästa splittar kan agera antenner om den ström man försöker styra har passande frekvenskomponenter och man har då skapat sej ett RFI-problem. Därför splittar man gärna även dessa, dvs gör öppningar/förslutningar med jämna mellanrum så att de inte fungerar som en längre sammanhållen antenn.
Guardtraces i form av extra kopparledare som förstärkning av jordplan, nyttan relativt crosstalk har diskuterats i det oändliga och som bäst är effekten marginell men dessa guardtraces medför per automatik att det inte finns möjlighet att lägga två signaledare allt för tätt då guardtracen ska få rum emellan, vilket indirekt kan sänka crosstalk rätt avsevärt.
Det svåra är att få en balanserad helhetslösning och oftast är det i praktiken omöjligt att göra dess renodlade lösningar där man inte mixar olika signal-slag inom samma utrymme.
Guard-traces är kanske bra för klockan i en situation men det beror då på att man inte kunnat undvika att routa klockan runt halva kretskortet. Har sett exempel på där visserligen klockoscillator och MCU legat placerade bra innbördes men autoroutingen skickade klockan på en rejäl utflykt på kretskortet.
Det är samma sak med floodat topp-lager, vilket till viss del kan jämföras med guard-traces. Normalt sett bra, men det finns situationer där det ska undvikas.
Det finns gott om definitiva åsikter vad som är bra eller dåligt men det finns inget definitivt svar när det kommer till praktisk användning.

[blueint]

Datorn Apple IIGS ljudchip Ensoniq ES5503 DOC har en notis i schemat om separation av den digitala och analoga jorden:
http://www.downloads.reactivemicro.com/ ... ART8.A.gif
(längst ner till höger)

Bild på moderkortet:
UL14:
http://apple2gs.oldcomputers.it/immagin ... grande.jpg
http://apple2gs.oldcomputers.it/immagin ... grande.jpg
(källa)

UJ17
http://apple2gs.oldcomputers.it/immagin ... grande.jpg

[blueint]

https://www.eecs.ucf.edu/seniordesign/f ... _FINAL.pdf
Sidan 31 - "Proper grounding techniques"

gnd_ad.png

Jordning från analog och digital sida skall ha varsinn anslutning till gemensam jordpunkt via RL-filter.

Edit: fixade bild

[superx]

Tror du? Utan att läsa allt tolkar jag R och L som parasitiska element.

[blueint]

Det är nog möjligt. Huvudpoängen är väl separara jordledningar.

[bearing]

Nej, huvudpoängen är att du inte ska ge tips i den här tråden, eftersom att du saknar tillräcklig kunskap i ämnet.

[jesse]

Ja, bilden visar de oundvikliga induktanser och resistanser som uppstår i en elektrisk krets , i det här fallet icke önskvärda. Men bilden i sig är bra och visar hur lösningen ska se ut.