シングルポイントvsグランドプレーン、オーディオOP AMP PCBレイアウト


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最近、私は一見無害に見える質問を別のフォーラムに投稿しました。私は小さくて比較的単純な回路を2層ボードに留めようとしていて、グラウンドに使用されている切れ目のない個別のプレーンを専用にするのではなく、アナロググラウンドに接続された銅線のシールドのメリットについて尋ねていました。私の質問は、そのような銅の注ぎのシールド値にのみ関連していたが、大きな論争がまったく異なる点から始まった。私のレイアウトでは、ユニティゲイン構成のオペアンプに給電する標準的な分圧器を使用して仮想グラウンドを作成し、すべてのアナロググラウンドリターンをその仮想グラウンドの出力に隣接するポイントまで実行しました。私はまた、最も混雑していない層に銅を注ぎ、同じ単一のポイントで同じアナログアースに接続しました。しかしすぐに、このような複雑な「クモの巣」スキームの使用を非難する一連の投稿が続きました。グラウンドプレーンを作成し、そのプレーンの最も近い利用可能なポイントへのすべての接続を作成する必要があります(via via when必要)。そうすることで、見た目がよりクリーンでシンプルなレイアウトになります。しかし、何年にもわたって「シングルポイント」ルートを経て、大部分が成功した(つまり、非常に安定した)設計であったため、変更するのをためらっています。特に、いくつかの議論が単一点の根拠を古風なものとして話し、真空管回路に追いやられたとき。何?多くのチャミングで、グラウンドプレーンを作成し、そのプレーンの最も近い利用可能なポイントへのすべての接続を作成する必要があります(必要に応じてビアを介して)。そうすることで、見た目がよりクリーンでシンプルなレイアウトになります。しかし、何年にもわたって「シングルポイント」のルートをたどり、大部分が成功した(つまり、非常に安定した)設計であったため、変更するのをためらっています。特に、いくつかの議論が単一点の根拠を古風で、真空管回路に追いやられたためです。何?多くのチャミングで、グラウンドプレーンを作成し、そのプレーンの最も近い利用可能なポイントへのすべての接続を作成する必要があります(必要に応じてビアを介して)。そうすることで、見た目がよりクリーンでシンプルなレイアウトになります。しかし、何年にもわたって「シングルポイント」のルートをたどり、大部分が成功した(つまり、非常に安定した)設計であったため、変更するのをためらっています。特に、いくつかの議論が単一点の根拠を古風で、真空管回路に追いやられたためです。何?特に、いくつかの議論が単一点の根拠を古風で、真空管回路に追いやられたためです。何?特に、いくつかの議論が単一点の根拠を古風で、真空管回路に追いやられたためです。何?

とにかく、とにかく調べてみると、このテーマに関する私の研究では、このテーマについて2つの陣営が示されているように見えました。議論の1つは、切れ目のないグランドプレーンが利用可能な場合、常に優れているということです。もう1つの議論は、高周波回路の場合はグラウンドプレーンの方が良いが、低周波回路(オーディオを含む)の場合は、主にグラウンドループを回避するために、シングルポイントアース方式の方が良いということです。

もちろん、プロトタイプのコストにより、今回はできれば2層ボードに制約されているため、まだジレンマがあります。つまり、私の疑似グラウンドプレーンは、せいぜい銅の配線であり、あちこちにある短いトレースによって壊れているということです。しかし、ルールにその複雑さまたは可能性のある例外を追加する前に、この特定の質問を一般的な議論のために出しておきたいと思います。OPアンプを含むオーディオデザインの場合、シングルポイント "のグランドスキームは、最善の方法です。単純な「グランドプレーンへの最も近いパス」の方が良い(または少なくとも適切な)選択です。

例として、これらの2つの階層化されたスクリーンショットは、同じボードの2つの合理的に類似したバージョンを示していますが、実際には約4 "x 2.5"です。最初の例では、AGNDとラベル付けされた単一のパッドで頂点に達するボードの両側に長いトレースがたくさんあります。2番目はほぼ同じ回路ですが、今回は青い銅の不良領域がアナロググランドネットの一部であるため、これらの長いトレースはすべて、グランドプレーン/銅の注ぎ口に最も近いパスが優先されます。他のレイアウトの問題について考えられる可能性のあるすべての批評は別として、これは単なる例です。私は本当にこの議論を元の質問に限定したいと思います。

一点地上バージョン 一点地上バージョン

グランドプレーンバージョンへの最も近いパス グランドプレーンバージョンへの最も近いパス


これは素晴らしい質問です!(私の限られた経験から)私はDCオーディオ(たぶん100kHzまで)のための単一点接地が好きです。(また、多少ゲインに依存します。)それ以上になると(f> 1MHz)。フロントパネル/ケースアースへの複数の接続を備えた1つの大きなアースを使用する方がよいことがわかりました。信号のリターン電流に何らかの関係があると思いますが、ある時点で、接地ラインのインダクタンスについてもっと気にかけるでしょう。
George Herold 2014年

ご存知のように、私はそれらの長い接地経路のインダクタンスを私の友人と考え始めています。結局のところ、オーディオ回路でゲインを必要としない周波数ではゲインを抑制しているようです。そして、はい...ゲインの問題については、この特定の回路は、すべての点で1に近いように設計されており、ラインレベル(約100mV)の信号のみを扱います。したがって、そのような場合でも議論の余地はありますが、それほど重要ではありません。でも、どちらかといえば本当に良いのなら、心を開いたほうがいいと思います。配線の手間はさておき、一点接地の悪影響はありましたか?
ランディ

グリン、ゲインは10 ^ 4、帯域幅はDC〜2〜3 MHz。最初の一点接地PCBは振動しませんでしたが、ほとんど振動していませんでした。それは、高い周波数で極度のゲインピークを示しました。高周波ではインダクタンスはあなたの味方ではありません。それは位相シフトにつながると思います。シグナルインテグリティに関するものを見たことがありますか。そこでは、リターン(gnd)電流がどこに流れるかについて話し合っていますか?
George Herold 2014年

高周波では、グランドプレーンがより良い選択であると聞いていました。おそらく、そのインダクタンスの問題のためです。もちろん問題は、オーディオ用の回路であっても、不要な高周波で発振する可能性があることです。だから私はマーフィー氏を食い止めるためにそれらの追加のRCネットワークを追加する習慣になりました。どちらの方法が最適であるかに関係なく、そのような問題に対してこれらの回路遮断を追加することから私たちを解放することもないでしょう。さらに悪いことに...長いトレースのインダクタンス、またはグランドプレーンのグランドループ!;-(
ランディ

回答:


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どちらにも長所と短所があります。

信号の完全なグランドプレーンには、信号0Vが完全性の高い0Vであり、重要な電流が流れる場合は信頼できますが、信頼できないという利点があります。グランドプレーンのインピーダンスが非常に低いにもかかわらず、大きな電流が流れると、電圧降下が発生する可能性があります。どの程度の電圧降下が問題になるかは、増幅したい最小の信号に完全に依存します。

スターポイントシステムは、トラックが信号を運ぶ(0vリターントラック)がこれらの重要な電流と共有しないようにすることで、前の段落で述べた「重要な電流」を回避します。欠点は、互いに誘導される電圧を持つ可能性のある磁気ループになり、別のトラックを流れる「重要な電流」が結合される可能性があることです。


まあそれはありがたいです。あなたの考えは私のものを反映しており、私にはいくつかの歴史があります。ここで、ほとんどのグラウンドリファレンスが最小限の電流を運ぶ純粋なリファレンスである場合を考えてみましょう。1メガオームを介して仮想接地を参照するOPアンプの+入力のように。さらに、すべてのゲインが電圧(電力ではない)ゲインである、オールアラウンドの低電流回路を想定します。その時点でさえ重要だと思いますか?そして、これらの純粋なリファレンスがプレーンに結び付けられているハイブリッドアプローチについてはどうですか?しかし、すべての真の信号リターンは、グランドソースの原点に戻る孤立したトレースを使用しましたか?
Randy

また、2つの層に制限されており、ベタ平面の代わりに銅の注ぎ穴を使用しているため、「注ぎ口」側にトレースを配置する必要性を最小限に抑える必要があります。2番目の例では、足のどこを自分で撃ったかが既に確認できます。基板の右下と左側の間にグランド電流が流れ、下部中央付近の長いトレースを迂回する必要があります。それ以来、ビアを追加してこれらすべてを最上層に再配線し、銅をグラウンドプレーンに一歩近づけるようにしました。
ランディ

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古い(一種の)スレッドを復活させて申し訳ありませんが、OP(および他の読者も)は、このドキュメントを興味深いものとするかもしれません。

http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5450

上記のドキュメントを理解しているように、高周波電流(1MHz以上)と低周波電流(1MHz以下)は、リターン電流パスが異なるため、区別する必要があります。したがって、異なる周波数の信号を運ぶトレースが一緒にグループ化されている限り、ソリッド/シングルグランドプレーンを使用できます(つまり、高周波信号と他の高周波信号を片側に、低周波信号と他の低周波信号を反対側に一緒に)。


興味深い、そしてありがとう。私が行った混合信号設計では、記事のように、分割領域とオード領域に常に分割接地面を使用しようとしてきたと説明しています。これまでのところ良い結果が得られていますが、それでも、非常に高いゲインで作業することはめったになく、アナログ作業はオーディオの分野で行われています。また、私のポスト以来、いくつかのオーディオデザインでシンプルなグランドプレーンを選択しており、ボードは正常に動作しています。私のすべての接地点はほぼゼロの電流を運ぶので、私はそれはあまり重要ではないと思います。手で配線されたパフォーマンスボードのプロトタイプでは、スターパターン引数の多くが最も重要だと思います。
ランディ
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