Hallo Freunde. Es gibt beim PCB-Layout Fragen, zu denen unterschiedliche Antworten vertreten werden. Eine davon: kann es sinnvoll sein, getrennte digitale und analoge Groundplanes in Form von übereinanderliegenden Kupferlagen zu haben? Folgende Infos zu meinem Projekt, in dem sich diese Frage stellt: - Es handelt sich um eine messtechnische Schaltung im niederfrequenten Bereich (Abtastrate max. 25kHz) - Die analoge Performance soll außerordentlich hoch sein, d.h. Dynamikbereich und Signal-Rausch-Verhältnis >120dB, sehr geringe Drift. - Im Schaltungsdesign sind prinzipiell die Voraussetzungen berücksichtigt, die für die genannte Performance erforderlich sind - hinsichtlich Dimensionierung und Qualität der passiven Bauteile, Spannungsversorgung, Spannungsreferenzen etc. - Der Prozessor (STM32F7) befindet sich auf einem galvanisch isolierten Bereich der Platine, die analoge Masse ist also von der MC-Masse (und der USB-Masse) isoliert. - im analogen Bereich der Platine befinden sich 4 ADCs (ADS125H01) und 2 DACs (MAX5719), Analogkram (Opamps etc.) und einige Logik-ICs (die Isolatoren und 3 weitere 74HCXXX). - Für die Kommunikation mit den 4 ADCs wird ein SPI und für die 2 DACs ein weiterer SPI verwendet, Taktraten ca. 10 MHz. Abgesehen von den SPIs gibt es im analogen Bereich der Platine keine breitbandigen Signale. - Die einzigen großen Stromverbraucher sind zwei Power-Opamps (OPA548), die Lastströme werden über gesonderte Leiterbahnen geführt, sodass sie nicht die Masse verunreinigen. - Die Verwendung einer zusätzlichen digitalen Masselage stellt in Bezug auf die Produktionskosten kein Problem dar. Das Datenblatt des MAX5719 empfiehlt getrennte digitale und analoge Groundplanes. Das Datenblatt des ADS125H01 empfiehlt, AGND und DGND mit der selben Groundplane zu verbinden. Was ist besser? Kann es vorteilhaft sein, zwei getrennte Lagen zu haben? Kann es u.U. Nachteile geben? Wie sieht es aus, wenn die zwei Masselagen im Platinenaufbau stark kapazitiv gekoppelt sind, ist es dann überhaupt möglich, Rauschen von der analogen Masse fernzuhalten? Über fundierte (sowohl theorie- als auch erfahrungsbasierte) Meinungen würde ich mich freuen. Grüße!
Vorticon X. schrieb: > digitale und analoge Groundplanes in Form von übereinanderliegenden > Kupferlagen Die werden kapazitiv aufeinander einkoppeln. Denke nicht dass das Sinn ergibt. Hast ja selber Bedenken: Vorticon X. schrieb: > die zwei Masselagen im Platinenaufbau stark kapazitiv gekoppelt sind Außerdem ist der Analog- und der Digitalkrempel nicht gleichzeitig am selben Ort, oder? Ich denke es ist sinnvoll, den Ground an der Stelle der ADCs einzuschnüren, um sowas wie einen Massesternpunkt in der Gegend zu haben. Die Spannungsregler und größere Entkoppelkapazitäten für den Analogteil müssen dann natürlich auch dorthin referenzieren. Lokal an ICs entkoppeln ist natürlich trotzdem nötig. Ich würde außerdem schauen, wo sich Rückpfade für Signale entlang der Masseverteilung ergeben. Querströme über den Massesternpunkt hinweg wären zu vermeiden. Vorticon X. schrieb: > Dynamikbereich und Signal-Rausch-Verhältnis >120dB, Das ist natürlich schon ein Brett, wo es sich zu überlegen lohnt, einen Inguard und Outguard für Analog- und Digitalteil wie in dicken Multimetern vorzusehen. Edit, ja haste auch schon Vorticon X. schrieb: > Der Prozessor (STM32F7) befindet sich auf einem galvanisch isolierten > Bereich der Platine, die analoge Masse ist also von der MC-Masse (und > der USB-Masse) isoliert. Andererseits kann man sich auch was von professionellen Audio-Interfaces abgucken, denn der Input von einem Audio-Interface ist auch eine... Vorticon X. schrieb: > messtechnische Schaltung im niederfrequenten Bereich (Abtastrate max. > 25kHz) mfg mf PS. Der zusätzliche SPI macht dir Kopfschmerzen? Den galvanisch zu trennen ist ja nicht die Kunst, bleibt die Frage nach Querstrom über die Analoge Masseverteilung. Auch hier hilft denke ich mal Einschnürung und striktes Layout. Wieviele Iterationszyklen hast du für Prototypen?
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Achim M. schrieb: > Vorticon X. schrieb: >> digitale und analoge Groundplanes in Form von übereinanderliegenden >> Kupferlagen > > Die werden kapazitiv aufeinander einkoppeln. Denke nicht dass das Sinn > ergibt. Das deckt sich auch mit meinen Erfahrungen. Ich würde auf dem Board den Analog- und den Digitalteil räumlich getrennt aufbauen und jedem seine eigene Massefläche - nur im Bereich seiner Schaltungsteile - vorsehen. Die Massen - wie Achim M. vorgeschlagen hat - an einem Punkt miteinander verbinden. Das macht man üblicherweise an der Stromversorgung, damit die Ströme des Digitalteils keine Spannungsabfälle auf einer gemeinsamen Versorgungsleitung erzeugen und so die Versorgung des Analogteils verrauschen. Wenn aber Analog- und Digitalteil im Prozessor oder im ADC zusammentreffen, kann es sinnvoll sein, die Zusammenführung genau dort zu machen. Dann muss man die Analogversorgung aber im Bereich des Analogteils sorgfältig nachsieben.
Danke schonmal für deine Antwort. Achim M. schrieb: > Die werden kapazitiv aufeinander einkoppeln. Denke nicht dass das Sinn > ergibt. Ja, ok. Höchstens für die DC-Performance, wobei es bei den geringen Stromaufnahmen der Bauteile wohl kaum zu einem relevanten DC-Spannungsabfall auf GND kommen dürfte. Gemessen wird ohnehin differentiell und die Referenzspannungen werden auch differentiell eingespeist. > Außerdem ist der Analog- und der Digitalkrempel nicht gleichzeitig am > selben Ort, oder? Abgesehen von den ADCs und DACs sind als digitale Stromverbraucher die Isolatoren (4x Si8660) und ein Demux 74137 zur Selektion der einzelnen SPI-Slaves vorhanden. Ja, die sind dann räumlich entfernt von dem Analogkram. > Ich denke es ist sinnvoll, den Ground an der Stelle der ADCs > einzuschnüren, um sowas wie einen Massesternpunkt in der Gegend zu > haben. Ok, das muss ich mir mal überlegen - habe da keinerlei Erfahrung oder Anhaltspunkte. > Ich würde außerdem schauen, wo sich Rückpfade für Signale entlang der > Masseverteilung ergeben. Querströme über den Massesternpunkt hinweg > wären zu vermeiden. Ja, das macht Sinn. > PS. Der zusätzliche SPI macht dir Kopfschmerzen? Den galvanisch zu > trennen ist ja nicht die Kunst Genau, die SPIs sind beide galvanisch getrennt. Die Messschaltung soll zur Charakterisierung von elektronischen Bauteilen genutzt werden. Es gibt 2 unabhängige Signalgeneratoren jeweils mit Messwerterfassung für Spannung und Strom - zur Charakterisierung eines Transistors würde man bspw. Kollektor- und Basisspannung über die DACs unabhängig voneinander variieren und gleichzeitig die Istwerte von U_CE, I_C, U_BE, I_B aufzeichnen. So kann man komplette Kennfelder erstellen. Ein ähnliches Design mit nur einem Messkanal habe ich bereits umgesetzt und für Zellcharakterisierungen verwendet, mit gutem Ergebnis. Diesmal mache ich das ganze aber auf eigene Kosten und deshalb möchte ich gerne, dass schon der erste Prototyp zumindest kein völliger Schrott ist.
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Achim M. schrieb: > Ich denke es ist sinnvoll, den Ground an der Stelle der ADCs > einzuschnüren, um sowas wie einen Massesternpunkt in der Gegend zu > haben. Mit einer Einschnürung einer Fläche erreichst du erstmal ganz sicher eines: Eine Erhöhung der Masseimpedanz an eben dieser Stelle. Wenn du Ströme hast, die gerne über die Einschnürung fließen würden, fließen sie halt an der Engstelle durch. Besser wird damit nichts, nur schlechter. Die Frage ist nur noch wie schlecht: Vielleicht merkt man nichts, vielleicht stört es nur ein wenig, aber daß die ganze Schaltung am Ende unbrauchbar ist hat es sicher auch schon gegeben. Die Schaltungsteile räumlich getrennt zu platzieren ist aber eine gute Idee. Flächen für die Spannungsversorgung wäre vielleicht auch hilfreich. Ob du die AD-Wandler aber galvanisch trennen mußt...da würde ich nochmal darüber schlafen. Die Teile haben ja prinzipiell Digitaltechnik verbaut, daher finde ich es fraglich ob da ein zusätzlicher Isolator etwas bringt. Ich würde die AD-Wandler eher als Trennstelle und Brücke zwischen Analog- und Digitalteil ansehen.
Vorticon X. schrieb: > Genau, die SPIs sind beide galvanisch getrennt. Woher kommt die Versorgung des Analogteils? Wenn das über einen galvanisch getrennten DCDC gemacht wird, dann könnte die Filterung aufwändig werden. Die Vorticon X. schrieb: > Si8660 habe ich auch schon verwendet, funktionieren prima auch mit sehr hohem Takt (100 MHz). Wichtig ist eine gute Referenz und dann die üblichen Layoutregeln. Kondensatoren nahe an den IC und zwischen beide Versorgungsanschlüsse + und - , dann Stromschleifen klein halten, nicht mit Vias sparen, gerne auch Polygone für die Versorgung verwenden, Kondensatoren so anbinden, dass die Ströme über deren Anschlüsse fließen, ... Und beim SPI möglichst dann alles in Ruhe halten wenn der ADC tatsächlich das Signal anguckt. Auch Serienwiderstände im SPI können sinnvoll sein um den Strom zu begrenzen. Und wenn du Frequenzen, also nicht nur DC, erfassen willst, dann ist auch eine möglichst jitterfreie Taktquelle wichtig, die ist bei dir schon im ADC wenn ich das richtig sehe. Das hier ist das Evaluation Board, mit Layout. Daran kannst du dich gut orientieren. https://www.ti.com/lit/ug/sbau318a/sbau318a.pdf
Wühlhase schrieb: > Mit einer Einschnürung einer Fläche erreichst du erstmal ganz sicher > eines: Eine Erhöhung der Masseimpedanz an eben dieser Stelle. Wenn du > Ströme hast, die gerne über die Einschnürung fließen würden, fließen sie > halt an der Engstelle durch. Das Argument ist plausibel (der "lokale Sternpunkt" macht dennoch prinzipiell Sinn). Da ich weder messtechnisch noch simulatorisch überprüfen kann, wie sich das eine oder das andere konkret auswirken würde, werde ich da wohl die bewährte Lösung (große durchgehende Groundplane) wählen. > Die Schaltungsteile räumlich getrennt zu platzieren ist aber eine gute > Idee. Flächen für die Spannungsversorgung wäre vielleicht auch > hilfreich. Ja, habe ich geplant. > Ob du die AD-Wandler aber galvanisch trennen mußt...da würde ich nochmal > darüber schlafen. Die Teile haben ja prinzipiell Digitaltechnik verbaut, > daher finde ich es fraglich ob da ein zusätzlicher Isolator etwas > bringt. Ja, das ist richtig. Andererseits ist es kein Hexenwerk und ich möchte ohnehin die Analogmasse von der USB- oder RS422-Masse trennen (Groundloops). Ob ich nun zwischen USB/RS422 und MC, oder zwischen MC und Analogteil trenne, macht dann keinen allzu großen Unterschied im Aufwand. Gustl B. schrieb: > Woher kommt die Versorgung des Analogteils? > Wenn das über einen galvanisch getrennten DCDC gemacht wird, dann könnte > die Filterung aufwändig werden. Die Spannungsversorgung ist +/-24V symmetrisch aus einem externen Netzteil, und diverse davon abgeleitete geregelte Spannungen für Opamps, ADCs, etc. Für den Mikrocontroller kommt über USB oder ein weiteres Netzteil. Es sind keine Schaltregler auf der Platine. Eine vernünftige Filterung habe ich dennoch vorgesehen. Ich wähle einfach im Zweifelsfall die sichere Lösung, um mir die Iterationen zu sparen. Gustl B. schrieb: > Und beim SPI möglichst dann alles in Ruhe halten wenn der ADC > tatsächlich das Signal anguckt. Auch Serienwiderstände im SPI können > sinnvoll sein um den Strom zu begrenzen. > Und wenn du Frequenzen, also nicht nur DC, erfassen willst, dann ist > auch eine möglichst jitterfreie Taktquelle wichtig, die ist bei dir > schon im ADC wenn ich das richtig sehe. Ja, der ADS125H01 hat einen internen Oszillator, allerdings laufen die bei 4 ADCs natürlich nicht synchron und es ist schon vorteilhaft, eine simultane Abtastung aller Signale zu haben - in Hinblick auf die Weiterverwendung der Messdaten und auch das von dir angesprochene Stillhalten des SPI. Deshalb habe ich einen Quarzoszillator vorgesehen, der ist natürlich andererseits auch wieder eine Störquelle. Und ja, es sollen auch dynamische Signale gemessen werden, man kann dann tatsächlich auch im niederfrequenten Bereich ganz gut kleine (und große) Kapazitäten messen, wenn die Strommessung entsprechend empfindlich ist (dafür habe ich 4 verschiedene Messbereiche, bis in den µA-nA Bereich)
Mein rat: Masseflächen auftrennen ist völliger Unsinn. Sieht man oft und dann noch digitales SPI über eine gap gehen. Das ist furchtbar. Mach eine oder mehrere masselagen ohne Lücken. Trenne analog und digital räumlich und fang nicht den Quatsch mit zusammenführen von zwei masselagen unter dem ADC oder sowas an. In der Regel hast du mehr als ein analogteil, mach also null Sinn. Galvanisch trennen kann man machen, dann aber ALLES.
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