Split plane

Il problema principale in PCB mixed-signal, ovvero che contengono sia dispositivi analogici che digitali, è prevenire che le correnti di ground dei circuiti digitali contaminino la circuiteria analogica a basso livello di tensione. Una tecnica molto usata per risolvere il problema,ovvero per isolare la massa analogica da quella digitale, è separare fisicamente i componenti analogici sensibili dai componenti digitali rumorosi ed utilizzare piani di massa distinti per le due sezioni; dove non risulta possibile l’uso di più piani di massa, si divide fisicamente (split) il ground plane in due regioni: analogica e digitale.

Lo stesso discorso vale anche per la gestione dell’alimentazione. In un qualsiasi circuito possiamo avere differenti tensioni di alimentazione a causa delle diverse tecnologie di fabbricazione dei dispositivi; di solito i componenti analogici sono alimentati con una tensione di 5 V, mentre quelli digitali sono alimentati con 3.3 V (o tensioni minori: 2.5 V, 1.8 V o 1.2 V); ci sono inoltre dispositivi, come ad esempio gli amplificatori operazionali, che richiedono un’alimentazione duale di ± 5 V, ± 12 V o ± 15 V. Differenti tensioni di alimentazione richiedono ovviamente circuiti di regolazione separati e si possono prevedere diversi regolatori di tensione per le sezioni analogica e digitale della scheda, anche se entrambe hanno le stesse specifiche di tensione e corrente (potenza).

Il motivo principale per prevedere la separazione del piano di massa e l’uso di molteplici tensioni regolate è l’isolamento del rumore. Tutti i segnali circolano in un percorso chiuso (loop); per ogni segnale che circola in una traccia della PCB, c’è un segnale di ritorno che torna indietro verso la sorgente. Il segnale di ritorno è di solito sul piano più vicino alla traccia e, almeno nei circuiti veloci con bassi tempi di salita, è il più vicino possibile alla traccia. La Fig. 3.32 mostra la distribuzione di corrente di un segnale di ritorno sul piano di riferimento immediatamente sotto la traccia, ovvero la variazione della densità di corrente vicino ad una traccia, cioè la densità di elettroni (la corrente è infatti un flusso di elettroni). Poiché gli elettroni possiedono una carica e la densità di carica non è altro che una tensione, c’è anche un gradiente di tensione che si verifica in prossimità della traccia.

Fig. 3.32: Distribuzione di corrente di un segnale di ritorno sul piano sotto la traccia di segnale

Come si vede in figura, la densità di corrente nel punto a distanza D dal centro della traccia è proporzionale a:

1

2

D

1

H

+

Variazioni nei gradienti di tensione possono verificarsi per diverse ragioni (come in figura, a causa delle correnti di ritorno ad alta frequenza, o a causa delle commutazioni dei dispositivi digitali) e costituiscono un rumore che non proviene dall’esterno del circuito, ma è generato dal circuito stesso. Una regola per la gestione di un buon sistema di potenza (alimentazione e massa) non è di cercare di prevenire che il rumore presente sui piani entri nel circuito, ma è invece prima di tutto di evitare che il rumore generato dal nostro circuito arrivi ai piani. Il fatto di utilizzare piani di massa separati e differenti regioni di alimentazioni regolate per diversi circuiti e diversi stadi dello stesso circuito è dovuto infatti al tentativo di prevenire che il rumore generato da un circuito (o da una parte di questo) interagisca ed interferisca con i segnali in un altro circuito (o in altre parti dello stesso circuito).

Il controllo del rumore e l’isolamento di sezioni diverse è l’obiettivo primario in PCB mixed-signal, soprattutto ad alte frequenze di lavoro; vogliamo infatti, ad esempio, che il rumore del trasmettitore non interagisca con il ricevitore o che il rumore della sezione digitale non interferisca con la sezione analogica.

Supponiamo infatti di inviare nella sezione trasmittente, un segnale che viaggia lungo una traccia; il segnale di ritorno, che circola principalmente sotto la traccia, si estende per una certa distanza oltre i bordi della traccia. Se il circuito del ricevitore è vicino a questo gradiente di ritorno, parte del rumore del trasmettitore può accoppiarsi nella sezione del ricevitore. La necessità di utilizzare una sezione di alimentazione separata per il ricevitore è cercare di isolare le due sezioni ed un singolo piano di massa sembra lavorare contro questo obiettivo. Una buona regola di progetto è quindi avere due distinti piani di massa e di alimentazione per il trasmettitore e per il ricevitore. In modo analogo, un segnale digitale che circola in una traccia genera un gradiente di ritorno sul piano di riferimento sotto la traccia; questo segnale può causare un segnale di rumore che può essere iniettato in una traccia analogica vicina.

Quando si utilizzano piani di massa separati, il riferimento del sistema deve essere comunque lo stesso (0 V); è di fondamentale importanza che, quando diversi piani di massa sono connessi tra loro, la connessione sia fatta in un singolo punto. Se invece i punti di collegamento sono due o più, alcuni segnali di ritorno potrebbero viaggiare su entrambi i piani (non solo sul piano sotto la traccia) annullando così la separazione che stavamo cercando di ottenere tramite alimentazioni e masse separate; anche peggio, è possibile (sotto certe condizioni) per i segnali di rumore di circolare in un loop che comprende entrambi i piani di riferimento, attraversandoli entrambi nei punti di collegamento. Questi

loop di corrente sono chiamati “ground loops” e, anche se la loro origine è ancora oscura, gli effetti sono ben noti ed includono problemi di rumore, di radiazioni EMI e, in casi estremi, anche dissipazione di potenza e problemi di riscaldamento. Il controllo dei loop di ground è relativamente semplice; se tra i piani di riferimento c’è un solo punto di connessione non ci sono loop sui quali il segnale possa circolare.

Un altro fattore molto importante da considerare quando si utilizzano piani di massa e alimentazione separati in sezioni analogica e digitale, è fare in modo che porzioni di piani diversi non si sovrappongano tra loro; nella Fig. 3.33 la parte analogica del power plane (Analog P) è stata erroneamente sovrapposta sulla parte digitale del ground plane (Digital G).

Fig. 3.33: Sovrapposizione tra sezione analogica e digitale

Un condensatore, nella sua forma più semplice è costituito da due superfici conduttive separate tra loro da un dielettrico; l’area in cui due diversi piani si sovrappongono tra loro forma quindi un piccolo condensatore. Anche la più piccola capacità fornisce comunque un percorso attraverso il quale il rumore può viaggiare tra una sezione e l’altra, eliminando la separazione funzionale che si è cercato di creare. L’accoppiamento capacitivo tra piani che deriva dalla sovrapposizione di porzioni di piani diversi può causare l’accoppiamento dei segnali. Una parte molto importante del posizionamento dei componenti sulla PCB è quindi cercare di raggruppare tra loro parti che hanno in comune l’alimentazione (e la massa).

Un altro vincolo che si presenta nel caso in cui si usino gli split plane è che nessuna traccia può attraversare la separazione tra due piani; questo tema è l’argomento del prossimo paragrafo.