181. Аналоговая разводка: общая земля, наводки, экранирование

Схема может быть безупречной, а измерение — плохим: помеха приходит не по входу, а по земле и через ёмкость между дорожками. Раздел 130 разобрал общие правила печатной платы; здесь — что конкретно теряет аналоговый тракт и сколько это стоит в кодах АЦП.

Числа ниже — модели ngspice: сигнал 2,000 В от датчика с сопротивлением 10 кОм, 12-разрядный АЦП со шкалой 3,3 В (код — 0,806 мВ).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
ground bounce	скачок потенциала земли
common return path	общий обратный провод
star ground / single-point ground	земля звездой, соединение в одной точке
analog / digital ground	аналоговая и цифровая земля
crosstalk, coupling capacitance	наводка, ёмкость связи
guard ring / guard trace	охранное кольцо, охранная дорожка
loop area	площадь петли
shield	экран

181.1 Общий обратный провод

Пусть цифровая часть берёт импульсами 200 мА с фронтом 2 нс, и её ток возвращается в источник по тому же участку земли, от которого отсчитывается датчик. Участок — 50 мОм и 10 нГн:

Постоянная часть ошибки — это закон Ома: 200 мА на 50 мОм дают 10 мВ, и они целиком приходят в измерение. Импульсная часть зависит от фронта: 10 нГн при 200 мА за 2 нс дают больше вольта — этот скачок ловят все цепи, которые считают «землёй» именно этот участок. Такие фронты у быстрых цифровых выходов; у ключа на светодиод или реле фронт — сотни наносекунд (172.3), и те же 10 нГн добавляют единицы милливольт.

Лечение — не «толще дорожка», а разделение путей: обратный ток цифровой части не должен течь по участку, общему с аналоговой. Где земля — провода и дорожки, их соединяют в одной точке — обычно под выводом земли АЦП или у разъёма питания; как быть со сплошным слоем земли — в 181.3.

181.2 Наводка через ёмкость между дорожками

Две дорожки рядом — это конденсатор. Пусть цифровая линия переключается между 0 и 3,3 В с фронтами 2 нс, а рядом идёт аналоговая от датчика с сопротивлением 10 кОм:

Один пикофарад — это сантиметр параллельных дорожек на соседних слоях. Помеха приходит не «по уровню», а по фронту. За 2 нс источник 10 кОм не успевает ничего — постоянная времени Rист · (Cсв + Cвх) = 10 кОм · 21 пФ = 210 нс, — и перепад просто делится ёмкостями: ΔU = U · Cсв / (Cсв + Cвх) = 3,3 · 1 / 21 = 157 мВ; в модели — 2,156 В против 2,000 В без помехи. С конденсатором 100 пФ у входа — 3,3 · 1 / 101 = 33 мВ. Затем помеха стекает через источник с той же постоянной времени.

Отсюда три меры, в порядке эффективности:

1. развести дорожки — уменьшить ёмкость связи (в модели с 1 до 0,1 пФ, ошибка с 372 до 6 кодов);
2. земляная дорожка или слой между ними — принимает наводку на себя;
3. конденсатор у входа АЦП (раздел 180.2) — уменьшает размах, но не убирает наводку: 62 кода вместо 372.

181.3 Правила, которые работают

• Один слой земли — и разделение размещением. На плате со сплошным слоем земли отдельных «аналоговой» и «цифровой» земель нет, и слой не режут: аналоговую часть ставят так, чтобы обратные токи цифровой части и силовых цепей под ней не проходили. Соединение «в одной точке» — для раздельных проводов и двухслойных плат без слоя земли: там цифровой и силовой возврат ведут своими дорожками к точке у вывода земли АЦП или у разъёма питания.
• Возврат тока идёт под дорожкой. На частотах выше сотен килогерц обратный ток течёт по слою земли прямо под сигнальной дорожкой: разрывать слой под аналоговой цепью нельзя — ток пойдёт в обход и создаст петлю.
• Аналоговые детали — компактной группой: делитель, фильтр, буфер и конденсатор у входа рядом, дорожки короткие.
• Опора и её конденсатор — у вывода (раздел 177), развязка питания — у каждого вывода питания (раздел 167.5).
• Высокоомные узлы окружают охранным кольцом — дорожкой с тем же потенциалом, что и вход: она перехватывает токи утечки по поверхности платы (те самые, что срывают часовой кварц в 174.5).
• Не тянуть аналоговую дорожку рядом с тактовой, ШИМ и линией интерфейса. Если пересечение неизбежно — пересекать под прямым углом.

181.4 Что проверить перед изготовлением платы

1. Где физически течёт обратный ток каждой сильноточной цепи и не пересекается ли он с аналоговой землёй.
2. Есть ли сплошной слой земли под аналоговой частью и не разрезан ли он.
3. Длина и соседство аналоговых дорожек: что идёт рядом и с какими фронтами.
4. Конденсаторы развязки — у выводов, а не «где поместилось».
5. Конденсатор у входа АЦП и резистор развязки (раздел 180.2).
6. Опора, её конденсатор и путь её земли.

181.5 Грабли

Показания скачут, когда включается реле или подсветка. Общий обратный провод: 200 мА на 50 мОм — 10 мВ, 12 кодов.

В показаниях видна частота тактового сигнала или ШИМ. Наводка через ёмкость соседних дорожек.

Конденсатор у входа поставили, а помеха осталась. Он уменьшает размах, но не устраняет связь: 62 кода вместо 372.

Разрезали слой земли «чтобы отделить аналоговую часть» — стало хуже. Обратный ток пошёл в обход, площадь петли выросла.

Высокоомный датчик «плывёт» во влажном воздухе. Токи утечки по поверхности платы — нужно охранное кольцо и отмывка.

181.6 Итоги

• Общий участок земли 50 мОм при 200 мА даёт 10 мВ ошибки — 12 кодов, а на фронте 10 нГн подбрасывают землю на 1,11 В.
• Ёмкость связи 1 пФ между цифровой и аналоговой дорожками даёт размах помехи 372 кода; конденсатор 100 пФ у входа оставляет 62, разнос дорожек до 0,1 пФ — 6.
• Земли-провода соединяют в одной точке; сплошной слой земли не режут, а цифровые и силовые токи уводят от аналоговой части размещением; высокоомные узлы окружают охранным кольцом.

Дальше: раздел 182 «Жизненный цикл прошивки и цена ошибки».