Diseño eficiente:¿Crear solo 1 plano de masa, o separar masas digitales/analogi?

[MerLiNz]

Estoy casi apunto de mandar una placa a cocinar y me ha surgido una duda.

He visto que en muchos sitios dicen de separar la parte analogica de la digital, en otros muchos dicen que no, que provocaria una alta impedancia entre la parte analogica/digital y puede afectar al rendimiento...

Expongo mi placa para ver si alguien sabria decirme que seria lo mejor:

En mi caso tengo 2 fuentes de alimentacion, +5 y +5, una de ellas se usa para alimentar sensores externos a distancia (presion, temperaturas...), lo tengo asi por si el usuario crea un cortocircuito o falla algun sensor y crea un cortocircuito la placa no deje de funcionar, ni tampoco llege a achicharrar la fuente principal, esta fuente es especial para cortocircuitos, shutdown por temperatura.... etc, aparte puedo ver si esta cortocircuitada mediante un pin output que lleva de su estado.
Entonces al ver que mi MCU permite separar las fuentes (tiene AVDD, AVSS, VREFL y VREFH) me pregunte si seria mejor separar ambas partes.

El caso es que en muchos foros he visto que recomiendan separarlas y en otros dicen que lo ideal es usar un solo plano.

Supongo que aqui me diran igual, o separarlos o dejarlos juntos. Realmente en mi proyecto no necesito mucha precision ya que la mayoria de sensores no permiten mas resolucion que 8-9bits, asi que tampoco importa una pequeña variacion de ruidos.

Sobre lo de poner 2 reguladores de voltaje independientes (sensores y parte digital) lo veis acertado??

A ver si algun experto me podria recomendar, salu2.

[PalitroqueZ]

cuando me toca hacer una placa, siempre separo la etapa del microcontrolador del resto del circuito en cuanto a alimentación y aterramiento se refiere, luego las uno con un puente (o jumper), todo dependerá de la frecuencia que vayas a operar en el PCB.

[MerLiNz]

Si, esa configuracion tambien la vi, asi se evita que la corriente pase entre planos e induzca ruidos a las otras señales, sin embargo tambien he oido que se pueden formar "ground loops" e inducir mas ruido aun que con un plano unico.

Las frecuencias no seran muy altas, y la parte de alta frecuencia (spi y usb) (1mhz-5mhz...) va en el lado opuesto de la parte analogica y parte de potencia, las demas señales no superan los 20khz.

[PalitroqueZ]

los circuitos que he armado los hago asi (micro con fuente aparte) y no he tenido problemas, el chip que trabaje a mayor velocidad será el que habrá que proteger de que reciba ruidos externos. Lo unico así que me ha perjudicado son el cableado de conexión, cuando el cableado interno supera cierta longitud empieza a haber fallas de comunicación (en el caso del rs232,usb, etc), y las he resuelto enrollando el cable en un toroide.

[Jorge555]

En algunos sitios dicen que varios planos es lo correcto y en otros que un plano único es lo mejor, yo suelo separar el plano analógico del digital y unirlos en un punto mediante una resistencia 1206 de 0 ohms. Tampoco sé cuál es la mejor opción, ante la duda diría que separarlos.

[Picuino]

Por desgracia, mucha literatura sobre el tema está en inglés. Algunos ejemplos (de TI, Analog Devices y Burr Brown):

http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/46-06/staying_well_grounded.html

Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND"

ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER GROUNDING PRACTICES AFFECT SYSTEM PERFORMANCE

Saludos.

[MerLiNz]

El ingles es lo de menos xD

Estoy pensando en poner 2 planos unidos por unas pequeñas pistas, pero he visto otro problema:

Los sensores externos bien, irian con su propio gnd unidos por un cable, el caso es que dentro de la pcb existen otras partes ADC (medidas de corriente por shunts, otros IC's que me dan señales analogicas para saber determinados datos...  El caso es que si lo dejase asi existiria una gran impedancia entre el GND por el cual estan alimentados estos IC's (DGND) y el AVSS del MCU asi que tendria otro problema.

[Picuino]

En general, creo entender que la idea es separar todas las masas y unirlas en un sólo punto. Esto es, topología en estrella. De esta forma la corriente que circula por la masa de un IC, no afecta a la tensión de masa de otro elemento.

En general, los circuitos digitales pueden tener una misma masa, ya que son inmunes al ruido.

Los circuitos analógicos deberían tener cada uno su propia masa, separada de la masa digital.

Si pones un shunt, debería tener su propio recorrido de corriente. El sensor conectado al shunt debería ser diferencial, para que elimine los errores de la masa del shunt.

Si posteas un esquema eléctrico simplificado es posible que te puedan ayudar mejor.


Una forma poco buena, pero que a veces funciona, es poner todo un plano de masa en una cara. Al tener poca impedancia, se minimizan los errores.

Un saludo.

[MerLiNz]

lo de la masa en estrella lo comprendo y entiendo bien para que hacerlo.

El shunt tampoco es necesario tener una precision exacta, es simplemente para tener un diagnostico (exceso de corriente, o falta de corriente dentro de unos valores grandes) asi que tampoco es necesario diferecial, hacerlo asi seria bastante mas complejo y no merece la pena.

Esa parte bien, el problema viene que hay IC's que te dan un valor de tension proporcional a la resistencia de carga, temperatura, y otro que evalua la detonacion de un motor, sin embargo estos ICs no llevan partes digitales separadas de la analogica, simplemente llevan un VDD+VSS y luego la salida ADC proporcional.

Pongo la placa un poco explicada

[MerLiNz]

La placa es de 4 layers

1: Señales con plano de masa
2: GND (plano de masa completo)
3: VCC (5V, 3.3V, 1.2V, 12V)
4: Señales con plano de masa

[Suky]

Hola... Si ya tenes una capa con GND no pondría planos GND en las capas de señales, veo islas de GND que forman antenas que dan más problemas que soluciones.

Luego respecto a los diferentes planos, generalmente se agrupan los componentes digitales y por otro lado los componentes analógicos, así se facilita el dibujo de los planos. Luego tampoco es bueno cruzar señales entre planos, y si fuese necesario se agregan inductores o directamente una pequeña unión entre planos dependiendo de la frecuencia de la señal que cruza.

En este tipo de placas yo no he separado los GNDs, si lo aplique en una placa con ADCs de alta velocidad (>100 Msps) donde había una placa de referencia que ayudaba mucho a saber como rutearlos


Saludos

[PalitroqueZ]

4 capas wow! ahí si tendrás que tener consideración y tomar en cuenta todos los consejos que dan los que han tenido experiencia haciendo placas de varias capas, yo no he pasado mas allá de 2 layers, así que se me escapa de mi andanzas con PCB´s 

[MerLiNz]

Suele ser mas sencillo con 4 caras ya que divides las rutas en 4 partes.

Suky a que te refieres con islas que provocan efecto antena??

El sampleado tampoco sera mucho, con ADC de 10ksps valdria perfectamente asi que tampoco sera muy crucial eso.

La idea de poner planos de masa en la capa de señales es para aislarlas de ruidos externos, la placa estara expuesta a mucho ruido externo y segun lei en un documento entre mas planos de masa mas aislado estara de emitir ruidos y recibir ruidos, pero esto entiendo que hay muchos tipos de opiniones. Aparte es mucho mas sencillo routear ya que los GND no es necesario routearlos, simplemente el mismo plano lo hace, ademas hay vias que estan cercas de los pines GND conectados a la capa de GND.

[Suky]

Suky a que te refieres con islas que provocan efecto antena??

Se ven planos de masa entre dos pistas paralelas que en un extremo no se une al plano de masa "general", entonces queda como una antena y en ese diseño se ven muchas.
Además veo pocas vias que unan los planos de masa.

Saludos

[MerLiNz]

Vale, ya entiendo.

Sobre pocas vias quizas es que no se aprecia en el esquema porque esta pequeño y las vias son pequeñas (15 mils), pero todos los IC's tienen su via hacia el plano negativo, incluido condensadores y resistencias que acaban en masa.

A ver si aqui lo aprecias mejor:


Son los pequeños puntitos que se ven, la mayoria estan al lado de los pads de GND y otros estan repartidos por la mayoria del plano.