Layout Optimierung - Supplyplanes und co.

Langer Text, daher gekürzt:

Keksstein schrieb:
> Interessant für mich war:
> -Bei zweilagigen Layouts führt man wenn möglich die Masse als
> durchgehende Fläche aus und verdrahtet die Versorgung "Baumartig", das
> war mir eigentlich schon bekannt.
Merken.
Und wenn man sich es nicht leisten bei 2 Layern einen komplett für GND 
herzugeben, dann routet man auch das GND, und zwar genau so wie die 
Versorgung.
Einfach die Restflächen mit GND fluten und drauf hoffen, dass der Strom 
schon irgendwie zurückfließt, hat schon viele Leute in den Wahnsinn 
getrieben.

> -Noch besser sind durchgängige Flächen auf Multilayer LPs für die Masse
> und Versorgung, durch die niederohmige Anbindung aller ICs wird die
> Position der Abblock Cs unkritisch bzw. man benötigt nicht mehr so
> viele. Macht für mich Sinn.
Mein Credo: zu viele Abblockkondensatoren haben einer Schaltung noch nie 
geschadet, zu wenige jedoch schon.

> -Kritisch wird eine Flächenmasse immer dann wenn die übertragene
> Frequenz von der Wellenlänge in die Nähe der Abmessungen der
> Leiterplatte kommt weil sich dann stehende Wellen bilden und die
> Impedanz steigt, am wenigsten kritisch ist das in der mitte der LP
> sodass hier alle ICs die schnell große Lasten schalten sollen sitzen.
Rechne mal aus, über welche Frequenzen du bei üblichen LP Abmessungen du 
da philosophierst...

> Die Last ICs haben übrigens kein separates Layer für GND und Versorgung
> bekommen sondern wurden dort einfach mit aufgelegt.
???

> -Schleifen zwischen zwei LP Seiten (z.B. macht man die Masse
> doppelseitig) sind zu vermeiden.
Oder man "nagelt" sie mit Vias zusammen.
Gerade bei HF Designs kann man mit doppelseitiger Masse gut schirmen.

> -Der Strom "versucht" den gleichen Weg zu nehmen wie er zu der Last
> gekommen ist, also bei durchgehender GND Fläche würde der GND Strom in
> Optimalfall bei den Versorgungsleitungen zurücklaufen.
Jep.

> > Was mir ein wenig gefehlt hat war der Bezug auf Frequenzen unterhalb des
> HF Bereichs, wie sieht es da aus?
Ähnlich. Nur der Skin-Effekt fällt weg.

>
> 1. Gehe ich richtig in der Annahme das für Analogschaltungen die
> Trennung zwischen Baugruppen die höhere Ströme brauchen als andere
> relativ egal ist weil die Fläche groß und dadurch die Impedanz sehr
> niedrig ist?
Da die Ströme u.U. Dimensionen höher sind als bei Digitalschaltungen 
fallen aber auch kleinere Impedanzen durchaus ins Gewicht.

> Als Beispiel: Eine Audio Endstufe liegt auf der selben
> durchgehenden Massefläche wie der Vorverstärker dazu, der Masseanschluss
> vom Netzteil liegt nahe beim Vorverstärker. Macht das Probleme weil der
> Laststrom erst am Vorverstärker "vorbei" muss?
Ganz genau, und daher hast du dir oben ja was gemerkt... Versorgung 
"baumartig".
Daher: Versorgung UND Masse getrennt und sternförmig vom 
Netzteilanschluss an Vorverstärker und Endstufe führen ist besser.
Dabei Versorgung und Massetraces nahe beieinander führen, um 
Stromschleifen zu minimieren.

> 2.Ich würde behaupten die Masse auf die Ebene der Signale zu holen
> (Durchgehendes Masselayer) wirkt sich bei NF positiv aus weil es die
> Leitungen gegeneinander schirmt sofern man mit genug Dukos eine
> niederohmige Verbindung zwischen GND Fläche und Schirmungsmasse auf der
> Top Seite verwendet? Wie würdet ihr so etwas einstufen, sollte man das
> vermeiden?
Wenn es um Crosstalk geht, ist mehr Leiterbahnabstand effektiver (im 
Quadrat des Abstands).

Danke euch beiden!

>Merken.
>Und wenn man sich es nicht leisten bei 2 Layern einen komplett für GND
>herzugeben, dann routet man auch das GND, und zwar genau so wie die
>Versorgung.
>Einfach die Restflächen mit GND fluten und drauf hoffen, dass der Strom
>schon irgendwie zurückfließt, hat schon viele Leute in den Wahnsinn
>getrieben.

OK, klar der Verlauf der Masse sollte geplant werden.

>Mein Credo: zu viele Abblockkondensatoren haben einer Schaltung noch nie
>geschadet, zu wenige jedoch schon.

Sehe ich auch so, die 5ct für einen Kerko sind an der falschen Stelle 
gespart. Ich fand bloß die Empfehlung interessant.

>Rechne mal aus, über welche Frequenzen du bei üblichen LP Abmessungen du
>da philosophierst...

Macht bei den meisten privaten Projekten wohl noch keinen Unterschied (=

>Da die Ströme u.U. Dimensionen höher sind als bei Digitalschaltungen
>fallen aber auch kleinere Impedanzen durchaus ins Gewicht.

Ich habe halt wirklich kein Gefühl dafür über Welche Größenordnungen wir 
reden bzw. ab welchem Laststrom das relevant wird.

>Ganz genau, und daher hast du dir oben ja was gemerkt... Versorgung
>"baumartig".
>Daher: Versorgung UND Masse getrennt und sternförmig vom
>Netzteilanschluss an Vorverstärker und Endstufe führen ist besser.
>Dabei Versorgung und Massetraces nahe beieinander führen, um
>Stromschleifen zu minimieren.

Ich weis zwar das man das so macht, warum das so gut sein soll habe ich 
aber noch nicht verstanden, vorallem in Bezug auf Masse. Um mal beim 
Beispiel Vorverstärker und Endstufe zu bleiben, damit die Signalmasse 
zur Endstufe kommt muss sie zurück zum Sternpunkt und von dort aus über 
die Versorgungsmasse der Endstufe zur Endstufe gelangen. Über die 
gleiche Leitung fließt auch der Laststrom, durch die unweigerlich 
vorhandene Leitungsimpedanz wird auf das Signal der Spannungsabfall der 
Last "moduliert". Warum funktioniert das trotzdem so gut?

>Wenn es um Crosstalk geht, ist mehr Leiterbahnabstand effektiver (im
>Quadrat des Abstands).

Kommt wohl auch auf den Innenwiderstand der Quelle an oder? Wenn man 
irgend einen Gegengekoppelten OP mit Ausgangswiderstand von unter 5Ohm 
hat, wie soll da etwas übersprechen? Wie schätzt du ein ob Übersprechen 
bei deinem Layout ein Thema sein wird?

>>Die Last ICs haben übrigens kein separates Layer für GND und Versorgung
>>bekommen sondern wurden dort einfach mit aufgelegt.
>
>Was denn für Last-ICs?

War nicht genauer beschrieben, gemeint war das einfach Bauteile die 
höhere Ströme schnell benötigen in die Mitte der LP gehören, zumindest 
im GHz Bereich. Ist für Heimanwendung wohl nicht so wichtig.

>Die Effekte werden abgeschächt, bis sie bei DC nahezu ganz verschwinden.
>Naja, stimt nicht ganz. Die Induktivität hat bei DC keinen Einfluss, dan
>zählt nur noch der ohmsche WIderstand.

Was mich besonderst interessiert, die Regel das Massestrom auf einer 
Groundplane soweit möglich den gleichen Weg zurück nimmt trotz anderer 
Möglichkeiten wie der Versorgungsstrom, zählt das auch für NF bzw. DC?

>>Als Beispiel: Eine Audio Endstufe liegt auf der selben
>>durchgehenden Massefläche wie der Vorverstärker dazu, der Masseanschluss
>>vom Netzteil liegt nahe beim Vorverstärker. Macht das Probleme weil der
>>Laststrom erst am Vorverstärker "vorbei" muss?
>
>Kann passieren.

Wenn ich das richtig verstehe ist eine gemeinsame Masse durchaus OK, es 
steht und fällt damit wohin der Rückstrom fließt? (also ganz einfach 
ausgedrückt an welcher stelle ich die Versorgung anschließe?)
Ich habe mir das Datenblatt von einem Dual Class-D Audio Verstärker bis 
300W von Ti angesehen, dem TAS5630B:

http://www.ti.com/lit/ds/sles217c/sles217c.pdf

Dabei ist das vom Hersteller empfohlene Layout, ich wollte einfach mal 
sehen wie man das in der Praxis realisiert und ein D-Verstärker ist wohl 
so mit das kritischste bei NF. (=
Würde man den PVDD Anschluss bzw. C68 in die Nähe der Eingänge setzten 
wäre die Performance wahrscheinlich futsch oder?

>Naja, ist eher akademisch. In Einzelfällen kann es sinnvoll sein.

Angenommen man realisiert das mit genug Dukos, kann das auch negative 
Folgen haben?

>Es ist heute eher eine Seuche, auf jeder noch so trivialen Platine alles
>mit Masseflächen fluten zu wollen. Und oft werden dabei viele,
>zerstückeltes Massefetzen erzeugt, die im einfachsten Fall keine Wirkung
>haben, im schlimmsten Fall aber die Pltine verschlechtern.

Du beziehst dich jetzt darauf das diese zerstückelte Masse zur 
Versorgung genutzt wird, nicht nur als einfache Schirmung?

Gruß,
Jan

Keksstein schrieb:

>>Da die Ströme u.U. Dimensionen höher sind als bei Digitalschaltungen
>>fallen aber auch kleinere Impedanzen durchaus ins Gewicht.
>
> Ich habe halt wirklich kein Gefühl dafür über Welche Größenordnungen wir
> reden bzw. ab welchem Laststrom das relevant wird.

Anhand der zur Verfügung stehenden Kupferdicke und -breite kannst du den 
Ohmschen Widerstand pro cm errechnen.
Auch wenn das nur wenige Milliohm sind, spielen sie bei Strömen von 
mehreren Ampere eine deutliche Rolle.

>>Daher: Versorgung UND Masse getrennt und sternförmig vom
>>Netzteilanschluss an Vorverstärker und Endstufe führen ist besser.
>>Dabei Versorgung und Massetraces nahe beieinander führen, um
>>Stromschleifen zu minimieren.
>
> Ich weis zwar das man das so macht, warum das so gut sein soll habe ich
> aber noch nicht verstanden, vorallem in Bezug auf Masse. Um mal beim
> Beispiel Vorverstärker und Endstufe zu bleiben, damit die Signalmasse
> zur Endstufe kommt muss sie zurück zum Sternpunkt und von dort aus über
> die Versorgungsmasse der Endstufe zur Endstufe gelangen. Über die
> gleiche Leitung fließt auch der Laststrom, durch die unweigerlich
> vorhandene Leitungsimpedanz wird auf das Signal der Spannungsabfall der
> Last "moduliert". Warum funktioniert das trotzdem so gut?
>

Wenn man davon ausgeht, dass der Versorgungspunkt sehr niederohmig ist, 
dann schlagen die GND Ströme der Endstufe nicht in der 
Vorverstärkerstufe auf, wenn sowohl die Versorgungsleitung als auch die 
GND Leitung sternförmig vom Versorgungspunkt weggehen.


>>Wenn es um Crosstalk geht, ist mehr Leiterbahnabstand effektiver (im
>>Quadrat des Abstands).
>
> Kommt wohl auch auf den Innenwiderstand der Quelle an oder? Wenn man
> irgend einen Gegengekoppelten OP mit Ausgangswiderstand von unter 5Ohm
> hat, wie soll da etwas übersprechen? Wie schätzt du ein ob Übersprechen
> bei deinem Layout ein Thema sein wird?

Übersprechen gibt es vor allem bei parallel verlaufenden Leitungen. Die 
wolltest du ja mit GND auf dem gleichen Layer "schirmen".
Generell gilt, je länger die parallele Strecke, je geringer der Abstand 
und je höher die Leistung und (ggf. Frequenz) des Signals, desto mehr 
Crosstalk.

Mit Innenwiderstand der Quelle hat das wenig zu tun.

Hier übrigens ein wirklich sehr guter Artikel zu den von dir genannten 
Themen:

http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5450
(falls der Link irgendwann mal verschwindet, nach "APP5450" suchen)

Da ist auch sehr anschaulich erklärt, wie das mit dem current flow unter 
Traces auf der GND Plane bei höheren Frequenzen funktioniert, und warum 
das bei DC nicht gilt.

>Anhand der zur Verfügung stehenden Kupferdicke und -breite kannst du den
>Ohmschen Widerstand pro cm errechnen.
>Auch wenn das nur wenige Milliohm sind, spielen sie bei Strömen von
>mehreren Ampere eine deutliche Rolle.

OK, habs verstanden, werde vorsichtig sein.

>Wenn man davon ausgeht, dass der Versorgungspunkt sehr niederohmig ist,
>dann schlagen die GND Ströme der Endstufe nicht in der
>Vorverstärkerstufe auf, wenn sowohl die Versorgungsleitung als auch die
>GND Leitung sternförmig vom Versorgungspunkt weggehen.

Am Sternpunkt gibt es das Problem nicht, aber die Massezuleitung zur 
Endstufe und Vorstufe hat ja auch eine Impedanz. Umso weiter Endstufe 
und Vorstufe vom Netzteil entfernt sind umso kritischer weil ja die 
Leitungsimpedanz steigt.

>Übersprechen gibt es vor allem bei parallel verlaufenden Leitungen. Die
>wolltest du ja mit GND auf dem gleichen Layer "schirmen".
>Generell gilt, je länger die parallele Strecke, je geringer der Abstand
>und je höher die Leistung und (ggf. Frequenz) des Signals, desto mehr
>Crosstalk.
>
>Mit Innenwiderstand der Quelle hat das wenig zu tun.

Wie ich das verstanden habe gibt es 2 Wege wie es zu übersprechen kommen 
kann:
1. Induktiv
2. kapazitiv

Bei kapazitivem Übersprechen würde die Schirmung mit der GND-Leitung 
helfen, genau wie ein niedriger Innenwiderstand der Quelle. Bei 
induktiven Anteilen ist die Leitung selbst das Problem, wie du schon 
gesagt hast hängt das von der übertragenen Leistung (=Strom) ab.

>Hier übrigens ein wirklich sehr guter Artikel zu den von dir genannten
>Themen:

Das hat wirklich sehr geholfen, vielen Dank! =D
Eine Sache ist mir noch nicht ganz klar, am Beispiel des DAC/ADCs ist 
erklärt das man es vermeiden sollte digitale Signalleitungen durch den 
Analogteil zu führen und umgekehrt. Manchmal ist das aber nicht möglich, 
z.B. wenn man ein Singalrelais im Analogteil verwendet. Das braucht zwar 
einen konstanten Versorgungsstrom, beim Einschalten kann ich mir 
trotzdem vorstellen das es Probleme durch die schnelle Flanke gibt gibt. 
(mal außer acht gelassen das die Induktivität den Einschaltstrom langsam 
ansteigen lässt) Wie verdrahtet man sowas? Kann man sich sicher sein das 
der Weg der niedrigsten Impedanz die extra geführte Rückleitung ist und 
nicht die Verbindung zwischen Analog und Digitalmasse an einem anderen 
Punkt? (also man führt 2 Leitungen zum Relais)

Hintergrund ist das ich ein ähnliches Problem schonmal hatte und mir 
nicht sicher war ob es Probleme macht das Relais einfach mit in die 
Analogmasse zu setzen.

Die Frage ob es auch negative Folgen haben kann Zwischenräume auf dem 
Signallayer mit GND zu füllen und mit genug Dukos an die Fläche auf der 
anderen Seite zu legen ist mir immer noch nicht klar, könnt ihr bitte 
hier nochmals helfen?