グランドプレーンの切り欠きを使用する場合

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私が読んだことから、グランドプレーンは、隣接する層との大きな静電容量を提供し、熱放散を高速化し、グランドインダクタンスを低減します。

私が特に興味を持っているのは、作成された浮遊/寄生容量です。私が理解しているように、これは電力トレースには有益ですが、信号線に悪影響を与える可能性があります。

ソリッドプレーンを配置する場所についていくつかの提案を読みましたが、これらが従うべき推奨事項であり、これらの提案の例外を構成するものは何かを疑問に思いました。

1. グランドプレーンを電源トレース/プレーンの下に置いてください。
2. 信号線、特に高速線または浮遊容量の影響を受けやすい線からグランドプレーンを取り外します。
3. グラウンドガードリングを適切に使用します。高インピーダンスラインを低インピーダンスリングで囲みます。
4. IC /サブシステムにローカルグランドプレーン（電力線にも同じ）を使用し、すべてのグランドを1点で、できればローカルグランドとローカル電力線が出会う同じ場所の近くでグローバルグランドプレーンに接続します。
5. グランドプレーンをできるだけ均一/固体に保つようにしてください。

PCBのグランド/電源を設計する際に考慮すべき他の提案はありますか？電源/グランドレイアウトを最初に設計し、信号レイアウトを最初に設計するのが一般的ですか、それとも一緒に設計されますか？

＃4とローカルプレーンについてもいくつか質問があります。

1. ローカルグランドプレーンをグローバルグランドプレーンに接続するには、ビアを使用する必要があるかもしれません。複数の小さなビア（すべてほぼ同じ場所にある）を使用する提案を見てきました。これは、単一の大きなビアよりも推奨されますか？
2. グローバルプレーン/電源プレーンをローカルプレーンの下に保持する必要がありますか？

2）高速信号の近くで地面を切ることを強くお勧めします。浮遊容量は、実際にはデジタルエレクトロニクスにあまり影響しません。通常、浮遊容量は、オペアンプの入力に寄生フィルタを作成するように作用する場合、人を殺します。

実際、切れ目のないグランドプレーンの上に高速信号を直接実行することを強くお勧めします。これは「マイクロストリップ」と呼ばれます。その理由は、高周波電流が最小インダクタンスの経路をたどるからです。グランドプレーンでは、このパスは信号トレースの鏡像になります。これにより、ループのサイズが最小化され、放射EMIが最小化されます。

この非常に顕著な例は、ハワード・ジョンソン博士のウェブサイトで見ることができます。最小インダクタンスの経路をとる高周波電流の例については、図8および9を参照してください。（あなたが知らなかった場合、ジョンソン博士はシグナルインテグリティの権威であり、賞賛されている「高速デジタル設計：ブラックマジックのハンドブック」の著者です）

これらの高速デジタル信号の1つの下にあるグランドプレーンをカットすると、リターン電流がカットアウトを迂回する必要があるため、ループのサイズが大きくなり、放射も増加することに注意することが重要です。すべてのデジタル信号の下に完全に切れ目のない平面が必要です。また、電源プレーンもグランドプレーンと同様に基準プレーンであり、高周波の観点から、これら2つのプレーンはバイパスコンデンサを介して接続されているため、「ジャンプ」する高周波リターン電流を考慮することができます。キャップの近くの飛行機。

3）優れたグランドプレーンがあれば、ガードトレースを使用する理由はほとんどありません。例外は、前に述べたオペアンプです。なぜなら、その下のグランドプレーンを切断した可能性があるからです。ただし、ガードトレースの寄生容量を心配する必要があります。繰り返しになりますが、ジョンソン博士はきれいな写真を手伝うためにここにいます。

4.1）複数の小さなビアは並列であるため、ほぼ同じスペースを占有する1つの大きなビアと比べて、インダクタンス特性が優れていると思います。残念ながら、これを信じるようになった読みを思い出せません。ビアのインダクタンスは半径に直線的に反比例するが、ビアの面積は半径に正比例するためだと思います。（情報源：ジョンソン博士）ビア半径を2倍に大きくします。インダクタンスは半分になりますが、面積は4倍になります。

ローカルグランドプレーンをグローバルグランドプレーンに接続することに関しては、複数の小さなビアを使用することをお勧めします。これは、電流の分散に役立ち、熱放散を改善するだけでなく、PCBの故障率も最小限に抑えるためです。

多層PCB設計を観察する場合のように、ローカルプレーンの下にグローバルグランド/電源プレーンを保持しても害はありません。

高周波を大まかに定義しないように注意してください。

マイクロストリップまたはストリップライン技術を必要とする伝送ライン効果は、ラインの長さが信号の最大懸念周波数（Ulaby）の100分の1以上の場合に考慮する価値があります。したがって、これはマイクロ波設計に役立ちます。たとえば、空気中の1GHz波形の長さは30 cmですが、FR-4では約半分になります（FR-4のイプシロンrの比誘電率、比誘電率は、組成に応じて約4です）。したがって、1ギガヘルツでは、数センチの長さのトレースが確実に問題になります。

10MHzの場合、伝送ラインの影響はほとんど目立ちません。10MHzの5番目の高調波は50MHzで、FR-4では約150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3メートルです。そのため、長さ30 cmのバスでは、位相歪みのまさに始まりを経験するかもしれません。

本当の懸念はノイズです。グランドプレーン上に十分な幅のトレースを敷設することにより、信号のエネルギーがトレースとグランドプレーンの間の基板を伝播します（ポインティング）。そして、他のソースからのEMIは侵入できません。

マイクロストリップラインには、トレース幅と基板の厚さおよび材料によって決まる特性インピーダンスがあります。細いトレースほど特性インピーダンスが高くなります。自由空気のインピーダンスは377オームです。トレースのZoがこの図に近づくと、放射が始まります。グランドプレーンでも。同様に、基板を厚くしても同じ効果があります。高周波で作業する場合、インピーダンスが重要です...終端、マッチング...十分に長いバスは、正しく終端されていない場合、測定可能な反射があります。

ただし、密集した設計では、細いトレースが必要になります。だから、何かを妥協する。

グランドプレーンスロットによってマイクロストリップラインインピーダンスが変わらないようにするには、スロットを少なくとも2マイクロストリップ幅離して配置する必要があります（マイクロストリップがグランドプレーンに垂直に投影される場合）。

以下は、マイクロストリップ内の電界分布とグランドプレーンの電流密度を示す3Dフィールドソルバーの写真です。結論は、マイクロストリップからフィールドまたは現在の2幅離れているところがほとんどないということです。そのため、ここではグランドプレーンのブレークが許可されます。

図1：ストリップラインに垂直な電界断面。2Dビュー。 図2：ストリップラインに垂直な電界断面。3Dビュー。図3：グランドプレーンの電流密度。2Dビュー図4：グランドプレーンの電流密度。3Dビュー