Что дает на высокой частоте широкие линии питания и земли

[protoder]

Здравствуйте. Есть такая рекомендация при работе с высокочастотными схемами - делать как можно шире линии питания и земли. в идеале - выделять под них отдельный слой на плате. Кто-нибудь может объяснить смысл этих советов. Казалось бы, широкие провода - больше емкости, больше задержки. Наоборот вроде все максимально тонко надо стараться делать. Кто объяснит?

[КРАМ]

При протекании токов по общим проводникам, коими и являются шины питания и земли, на их омическом и реактивном (индуктивном) сопротивлении возникает падение напряжения. Причем падения на земле приложены ко входам схемы последовательно с полезными сигналами.
Емкость коротких проводников на землю и питание ничтожна, а если они длинные, то нужно создавать регулярную согласованную линию. Тонкие проводники имеют значительную индуктивность.

[mickbell]

protoder писал(а):

в идеале - выделять под них отдельный слой на плате.

Скажу больше: по современным требованиям в высокочастотных и быстродействующих устройствах выделение целых слоёв многослойной платы под общий провод и питание - это не "в идеале", это практически обязательное условие. (Об этом мне рассказывал сам Леонид Николаевич Кечиев; у меня даже есть книжка с его автографом.)

protoder писал(а):

Казалось бы, широкие провода - больше емкости, больше задержки. Наоборот вроде все максимально тонко надо стараться делать. Кто объяснит?

Большая ёмкость по питанию (речь-то явно идёт о питании и общем проводе) - это благо, а не недостаток. Нынче между слоями питания и общим даже иногда применяют специальный препрег с большой диэлектрической проницаемостью, чтобы эту ёмкость ещё увеличить; она работает в помощь блокировочным конденсаторам.

[protoder]

mickbell писал(а):

protoder писал(а):

в идеале - выделять под них отдельный слой на плате.

Скажу больше: по современным требованиям в высокочастотных и быстродействующих устройствах выделение целых слоёв многослойной платы под общий провод и питание - это не "в идеале", это практически обязательное условие. (Об этом мне рассказывал сам Леонид Николаевич Кечиев; у меня даже есть книжка с его автографом.)

protoder писал(а):

Казалось бы, широкие провода - больше емкости, больше задержки. Наоборот вроде все максимально тонко надо стараться делать. Кто объяснит?

Большая ёмкость по питанию (речь-то явно идёт о питании и общем проводе) - это благо, а не недостаток. Нынче между слоями питания и общим даже иногда применяют специальный препрег с большой диэлектрической проницаемостью, чтобы эту ёмкость ещё увеличить; она работает в помощь блокировочным конденсаторам.

Ну... это не выглядит убедительным. Блокировочные конденсаторы ( я так понимаю, речь про кондесаторы между землей и питанием) обычно ставят сотни нанофарад. И увеличение на несколько пикофарад вряд ли будет принципиально на что-то влиять. Да и ни кто не мешает добавить блокировочные конденсаторы явно.
С другой стороны, если мы делаем, например, специальный слой под землю, или просто утолщааем проводники с землей и питанием, то мы не только (и не столько) увеличиваем емкость между ними, но и емкость между ними и сигнальными проводами. Соответственно возрастают входные емкости, задержки и пр.

Добавлено after 6 minutes 55 seconds:

КРАМ писал(а):

При протекании токов по общим проводникам, коими и являются шины питания и земли, на их омическом и реактивном (индуктивном) сопротивлении возникает падение напряжения. Причем падения на земле приложены ко входам схемы последовательно с полезными сигналами.
Емкость коротких проводников на землю и питание ничтожна, а если они длинные, то нужно создавать регулярную согласованную линию. Тонкие проводники имеют значительную индуктивность.

Ага... На высоких частотах индуктивная составляющая растет. В более толстый проводах индуктивность меньше. Плюс уменьшаем омическое сопротивление, из-за чего уменьшаются постоянные времени входных емкостей? Я верно все понял?
А почему не рекомендуют толстые сигнальные провода? Потому что линии питания делать толстыми проще?

Последний раз редактировалось protoder Вс фев 03, 2019 12:01:09, всего редактировалось 1 раз.

[mickbell]

protoder писал(а):

Ну... это не выглядит убедительным. Блокировочные конденсаторы ( я так понимаю, речь про кондесаторы между землей и питанием) обычно ставят сотни нанофарад. И увеличение на несколько пикофарад вряд ли будет принципиально на что-то влиять.

Несколько пикофарад? А посчитать? Допустим, толщина препрега 100 мкм, эпсилон равен 4 (это обычный диэлектрик), площадь платы 100 кв. см. Получается ёмкость, если я не ошибся, 3.5 нФ. Не так и мало. Но дело не в этом. Едем дальше.

protoder писал(а):

Да и ни кто не мешает добавить блокировочные конденсаторы явно.

А толку? Вы не задумывались, почему иногда рекомендуют блокировку несколькими номиналами в параллель? Думаете, что блокировочный конденсатор - это ёмкость? А вот хрен там. Это ёмкость, индуктивность и два сопротивления. Ёмкость и индуктивность образуют контур, резонанс которого находится где-то на сотнях мегагерц даже у SMD-конденсаторов. А вот этот распределённый конденсатор имеет минимально возможную индуктивность и, соответственно, максимально возможную частоту резонанса. Раньше, когда столь быстродействующих девайсов не было, в качестве блокировки годились конденсаторы КМ-5, но те времена давно прошли.

protoder писал(а):

С другой стороны, если мы делаем, например, специальный слой под землю, или просто утолщааем проводники с землей и питанием, то мы не только (и не столько) увеличиваем емкость между ними, но и емкость между ними и сигнальными проводами. Соответственно возрастают входные емкости, задержки и пр.

Сигнальные провода - это совсем другая история. Кстати, крайне важно, чтобы сигнальный провод (если он не в дифпаре) шёл обязательно над общим проводником (обычно - полигоном), чтобы не было петель.

Последний раз редактировалось mickbell Вс фев 03, 2019 12:03:49, всего редактировалось 2 раз(а).

[12943]

Смысл не просто в ширине, обязательно определённое расположение прямого и возвратного проводов. Должен получится контур минимальной площади (индуктивности).

"Более толстый провод как-то влияет на индуктивность? Не должен же вроде"---------"ну вы блин даёте!"

Сигнальные сигнальным - рознь. Но общий принцип остаётся, минимальная площадь контура тока.

[protoder]

mickbell писал(а):

protoder писал(а):

Ну... это не выглядит убедительным. Блокировочные конденсаторы ( я так понимаю, речь про кондесаторы между землей и питанием) обычно ставят сотни нанофарад. И увеличение на несколько пикофарад вряд ли будет принципиально на что-то влиять.

Несколько пикофарад? А посчитать? Допустим, толщина препрега 100 мкм, эпсилон равен 4 (это обычный диэлектрик), площадь платы 100 кв. см. Получается ёмкость, если я не ошибся, 3.5 нФ. Не так и мало. Но дело не в этом. Едем дальше.

protoder писал(а):

Да и ни кто не мешает добавить блокировочные конденсаторы явно.

А толку? Вы не задумывались, почему иногда рекомендуют блокировку несколькими номиналами в параллель? Думаете, что блокировочный конденсатор - это ёмкость? А вот хрен там. Это ёмкость, индуктивность и два сопротивления. Ёмкость и индуктивность образуют контур, резонанс которого находится где-то на сотнях мегагерц даже у SMD-конденсаторов. А вот этот распределённый конденсатор имеет минимально возможную индуктивность. Раньше, когда толь быстродействующих девайсов не было, в качестве блокировки годились конденсаторы КМ-5, но те времена давно прошли.

protoder писал(а):

С другой стороны, если мы делаем, например, специальный слой под землю, или просто утолщааем проводники с землей и питанием, то мы не только (и не столько) увеличиваем емкость между ними, но и емкость между ними и сигнальными проводами. Соответственно возрастают входные емкости, задержки и пр.

Сигнальные провода - это совсем другая история. Кстати, крайне важно, чтобы сигнальный провод (если он не в дифпаре) шёл обязательно над общим проводником (обычно - полигоном), чтобы не было петель.

ОК. Действительно имеет смысл. Спасибо.

Добавлено after 2 minutes 29 seconds:

12943 писал(а):

"Более толстый провод как-то влияет на индуктивность? Не должен же вроде"---------"ну вы блин даёте!"

ну да. Глупость сморозил. Влияет.

А можете поподробнее про прямой и возвратный?

И еще. 80 мГц - эта уже та частота, при которой надо принимать специальные меры. Или все таки еще нет?

Последний раз редактировалось protoder Вс фев 03, 2019 12:36:06, всего редактировалось 1 раз.

[mickbell]

Если прямой и возвратный провода совпадают по месту в пространстве, то нет контура с током, который ко всему прочему есть ещё и источник и приёмник помех. Если сигнальный провод проходит над полигоном общего, то возвратный ток по полигону идёт строго под прямым проводником, повторяя все его изгибы*. Но если на его (возвратного тока) пути встретится препятствие - скажем, перпендикулярный проводник, "разрезающий" полигон, то возвратный ток будет вынужден его обходить. Это приводит к появлению контура тока, поля вокруг него и вызывает увеличение индуктивности, но самое поганое - само поле, ибо оно есть источник электромагнитных помех.

* Вопрос на засыпку: почему так?

[12943]

Эк вы хватанули: "Если прямой и возвратный провода совпадают по месту в пространстве, то нет контура с током".
Да как же они совпадут в пространстве? Контур есть всегда, размер его бывает сильно разный.

[mickbell]

Небольшое утрирование. Я имел в виду минимально возможную площадь. Однако есть и физически осмысленный вариант: коаксиальный кабель. Там всё поле, можно считать, внутри, так что и помехоэмиссии практически нет.

[12943]

Понятно, что коаксиал неплохое приближение, но речь шла о печатке.

Добавлено after 6 minutes 16 seconds:

protoder писал(а):

А можете поподробнее про прямой и возвратный?

И еще. 80 мГц - эта уже та частота, при которой надо принимать специальные меры. Или все таки еще нет?

Чота потерялась статья. Надо гуглить помехоустойчивость, повышение п/у, электромагнитная совместимость и т.д.
Насчёт частоты - это принципиально зависит от схемы. Пришлось дорабатывать даже серийный пульт управления нагревателем.

[mickbell]

12943 писал(а):

Понятно, что коаксиал неплохое приближение, но речь шла о печатке.

С печаткой всё понятно: между двумя соседними слоями многослойной платы - сто или стописят микрон расстояние. Не ноль, конечно.
Ещё раз обращаю внимание всех на необходимость следить за тем, чтобы под критически важными сигнальными проводами полигон общего провода не имел разрывов.

[12943]

Критически важным сигнальным будет полегче, если возвратный провод пойдёт точно под сигнальным, если уж плата многослойная.
А земляной полигон пусть будет без разрывов.

[mickbell]

Это если есть пара, отдельная от общего. Я рассказываю про случай, когда таковой нет, а возвратный провод и есть общий - такое бывает часто.

[gsmart]

широкие провода - больше емкости, больше задержки.

Широкие проводники - малая индуктивность, а большая ёмкость между ними снижает добротность этой индуктивности.

80 мГц - эта уже та частота, при которой надо принимать специальные меры.

Специальные меры надо принимать и при более низких частотах, даже усилители низкой частоты, с рабочими частотами в десятки кГц при неправильной разводки могут вполне себе возбуждатся, а вы про десятки МГц.
Хотя те-же ламповые блоки ПТК с граничной частотой 223.25 МГц (несущая 12го эфирного канала) собирали навесным монтажём, и всё себе работало.

[protoder]

>> Если сигнальный провод проходит над полигоном общего, то возвратный ток по полигону идёт строго под прямым проводником, повторяя все его изгибы

Я этого не знал. Прикольно.

То есть - выводы - в одном слое платы проводники должны быть в одном направлении. Между слоями делать слой с землей. Верно?

[12943]

В одном направлении удобно,
земля и общий провод далеко не всегда одно и то же.

[mickbell]

protoder писал(а):

Если сигнальный провод проходит над полигоном общего, то возвратный ток по полигону идёт строго под прямым проводником, повторяя все его изгибы

Я этого не знал. Прикольно.

Я там задал вопрос: почему так? Предлагаю подумать и попробовать ответить на него.

protoder писал(а):

То есть - выводы - в одном слое платы проводники должны быть в одном направлении.

Не обязательно, да и чаще всего невозможно.

protoder писал(а):

Между слоями делать слой с землей. Верно?

Делают и так, только наоборот: сигнальные проводники располагают между полигонами с неизменным потенциалом (не обязательно общий, питание тоже годится). Такая плата имеет малую помехоэмиссию и малую помехочувствительность. В этом случае для того, чтобы сигнальные проводники не влияли друг на друга, расстояние между ними должно быть минимум в два раза больше ширины проводников.

[protoder]

>> Я там задал вопрос: почему так? Предлагаю подумать и попробовать ответить на него.

Ну, что-то про то, что при такой конфигурации получается минимум потенциальной энергии полей (поле прямого проводника скомпенсируется полем обратного). Как-то так.

[mickbell]

Ну да. Получается минимальная площадь контура тока, следовательно, минимальная индуктивность и минимальное индуктивное сопротивление. Ток как раз и идёт по тому пути, по которому сопротивление минимальное. Но, блин, я тут лоханулся: всё это имеет смысл только для переменной составляющей, а я про это сказать забыл.