زمین آنالوگ و دیجیتال در PCB؛ آیا جدا کردن Ground Plane همیشه درست است؟

راهنمای طراحی زمین PCB، کاهش نویز و انتخاب بین زمین یکپارچه و Split Ground

یکی از بحث‌برانگیزترین موضوعات در طراحی زمین آنالوگ و دیجیتال، تصمیم‌گیری درباره جداسازی Ground Plane است. بسیاری از طراحان تصور می‌کنند برای جلوگیری از ورود نویز دیجیتال به مدارهای آنالوگ، باید صفحه زمین را به دو ناحیه AGND و DGND تقسیم کنند. اما آیا این روش همیشه عملکرد مدار را بهبود می‌دهد؟

تصور کنید یک برد شامل میکروکنترلر، مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مدار اندازه‌گیری سنسور طراحی کرده‌اید. برای کاهش نویز، صفحه زمین را به دو بخش تقسیم می‌کنید؛ اما پس از ساخت PCB، مقدار ADC نوسان دارد یا مدار هنگام سوئیچینگ بار رفتار غیرمنتظره‌ای نشان می‌دهد.

در چنین شرایطی، ممکن است مشکل از خود جداسازی زمین باشد.

برای انتخاب ساختار مناسب، باید مسیر جریان برگشتی، امپدانس مشترک و موقعیت قطعات را بررسی کنیم. در این مقاله، اصول طراحی زمین PCB را با تکیه بر راهنماهای شرکت‌های Texas Instruments و Sierra Circuits توضیح می‌دهیم.

۱. چرا طراحی زمین PCB اهمیت دارد؟

در شماتیک، معمولاً تمام نقاط متصل به GND را بخشی از یک شبکه الکتریکی در نظر می‌گیریم. بااین‌حال، مسیرهای زمین در PCB واقعی مقاومت و اندوکتانس دارند.

وقتی جریان از یک مسیر زمین عبور می‌کند، امپدانس مسیر می‌تواند اختلاف ولتاژی میان نقاط مختلف آن ایجاد کند.

در ساده‌ترین حالت، افت ولتاژ مقاومتی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$V=I\times R$$

اما در مدارهایی که جریان به‌سرعت تغییر می‌کند، اندوکتانس نیز اهمیت دارد:

$$V_L=L\frac{di}{dt}$$

بنابراین، حتی اگر مقاومت یک مسیر کم باشد، تغییرات سریع جریان می‌تواند روی آن ولتاژ ناخواسته ایجاد کند.

فرض کنید جریان سوئیچینگ یک بخش قدرت از همان مسیر زمینی عبور کند که مدار اندازه‌گیری سنسور برای مرجع ولتاژ خود استفاده می‌کند.

افت ولتاژ ناشی از جریان قدرت می‌تواند پتانسیل مرجع سنسور را نسبت به نقاط دیگر مدار تغییر دهد. در نتیجه، اندازه‌گیری ADC ممکن است دچار خطا شود.

شرکت Texas Instruments در صفحه ۶ راهنمای طراحی درایور موتور، این اثر را در بحث نویز مد مشترک و Ground Bounce توضیح می‌دهد و بر کاهش امپدانس مشترک مسیرهای برگشتی تأکید می‌کند.

Ground Bounce چیست؟

Ground Bounce به تغییر گذرای ولتاژ مرجع زمین در اثر عبور جریان از امپدانس مشترک یا اندوکتانس اتصالات گفته می‌شود.

این پدیده ممکن است در مدارهای دیجیتال پرسرعت و مدارهای قدرت رخ دهد. شدت آن به ساختار اتصال، اندوکتانس پارازیتی و سرعت تغییر جریان وابسته است.

برای کاهش چنین مشکلاتی، طراح باید مسیر جریان‌های پرقدرت و برگشت سیگنال‌های حساس را با دقت مشخص کند.

۲. تفاوت زمین آنالوگ (AGND) و دیجیتال (DGND) چیست؟

بسیاری از آی‌سی‌های ترکیبی مانند ADC، DAC و بعضی کنترلرهای موتور دارای پایه‌هایی با نام AGND و DGND هستند.

این نام‌گذاری نشان می‌دهد که سازنده میان مرجع بخش آنالوگ و دیجیتال تمایز قائل شده است.

بااین‌حال، وجود دو پایه با نام متفاوت الزاماً به معنای نیاز به دو صفحه زمین کاملاً مجزا نیست.

انتخاب روش اتصال باید بر اساس دیتاشیت همان قطعه، ساختار داخلی آی‌سی و مسیر جریان‌های برد انجام شود.

زمین آنالوگ یا AGND

مدارهای آنالوگ معمولاً با سیگنال‌هایی سروکار دارند که دامنه و دقت آن‌ها اهمیت زیادی دارد.

برای مثال، یک ADC ممکن است اختلاف ولتاژ بسیار کوچکی را اندازه‌گیری کند. تغییر ولتاژ مرجع زمین می‌تواند نتیجه این اندازه‌گیری را تحت تأثیر قرار دهد.

به همین دلیل، باید مسیر جریان‌های بزرگ و نویزی را از مرجع بخش آنالوگ دور نگه داریم.

زمین دیجیتال یا DGND

مدارهای دیجیتال با تغییر سریع وضعیت منطقی کار می‌کنند. هنگام سوئیچینگ ترانزیستورهای داخلی آی‌سی، جریان‌های گذرا در شبکه تغذیه و زمین ایجاد می‌شوند.

در صورت طراحی نامناسب مسیرهای برگشتی، این جریان‌ها می‌توانند از امپدانس مشترک با بخش آنالوگ عبور کنند و روی مرجع آن اثر بگذارند.

نکته مهم: هدف اصلی، جلوگیری از تداخل جریان‌های برگشتی است؛ نه الزاماً جدا کردن فیزیکی تمام مس‌های زمین.

در صفحه ۸۲ راهنمای Sierra Circuits، دو شیوه جانمایی قطعات آنالوگ و دیجیتال مقایسه شده‌اند. این راهنما توصیه می‌کند طراح حتی در صورت استفاده از یک شبکه زمین مشترک، قطعات را به‌گونه‌ای جانمایی کند که جریان‌های برگشتی دو بخش با یکدیگر تداخل نداشته باشند.

۳. Ground Plane یکپارچه بهتر است یا Split Ground؟

دو روش رایج برای طراحی زمین PCB وجود دارد. انتخاب میان آن‌ها به الزامات الکتریکی و ساختار برد بستگی دارد.

روش اول: صفحه زمین یکپارچه (Solid Ground Plane)

در این روش، یک لایه یا ناحیه بزرگ و پیوسته از مس را به زمین اختصاص می‌دهیم.

پیوستگی صفحه زمین به جریان‌های برگشتی اجازه می‌دهد مسیر مناسبی در نزدیکی سیگنال خود پیدا کنند.

این ساختار همچنین می‌تواند امپدانس اتصال زمین و کوپلینگ ناخواسته را کاهش دهد.

Texas Instruments در صفحه ۵ سند Best Practices for Board Layout of Motor Drivers، استفاده از صفحه زمین پیوسته را برای بردهای چهارلایه و برخی بردهای دولایه توصیه می‌کند.

البته وجود یک صفحه زمین یکپارچه به‌تنهایی کافی نیست. جانمایی نامناسب قطعات همچنان می‌تواند مسیرهای جریان نامطلوب ایجاد کند.

روش دوم: زمین جداشده (Split Ground Plane)

در این ساختار، طراح مس زمین را به دو یا چند ناحیه تقسیم می‌کند و اتصال میان آن‌ها را در موقعیت مشخصی قرار می‌دهد.

هدف معمولاً کنترل عبور جریان میان بخش‌های مختلف مدار است.

برای مثال، ممکن است یک درایور موتور به طراحی ویژه‌ای برای اتصال زمین بخش قدرت و زمین منطقی نیاز داشته باشد.

اما جداسازی نامناسب می‌تواند مسیر برگشت سیگنال را قطع کند و باعث افزایش مساحت حلقه جریان شود.

راهنمای Sierra Circuits در صفحه ۸۵ توضیح می‌دهد که اجرای صحیح زمین جداشده دشوار است و سیگنال‌هایی که میان دو ناحیه حرکت می‌کنند، باید مسیر عبور مناسبی نزدیک نقطه اتصال زمین داشته باشند.

مقایسه دو روش طراحی زمین

ویژگی	زمین یکپارچه	زمین جداشده
مسیر برگشت سیگنال	امکان حفظ مسیر پیوسته	نیازمند طراحی دقیق محل عبور
پیچیدگی طراحی	معمولاً کمتر	بیشتر
کنترل جریان‌های قدرت	وابسته به جانمایی و مسیر جریان	امکان کنترل از طریق اتصال مشخص
خطر قطع مسیر برگشتی	کمتر در صفحه پیوسته	بیشتر در صورت عبور سیگنال از شکاف
کاربرد	بسیاری از مدارهای ترکیبی	مدارهایی با الزام مشخص برای جداسازی

این جدول یک مقایسه عمومی است؛ تصمیم نهایی باید با دیتاشیت قطعات و توپولوژی واقعی مدار مطابقت داشته باشد.

۴. چرا عبور سیگنال از روی شکاف Ground Plane مشکل ایجاد می‌کند؟

یکی از اشتباهات مهم در طراحی زمین آنالوگ و دیجیتال، عبور دادن مسیر سیگنال از روی شکاف میان دو صفحه زمین است.

برای درک آن، ابتدا باید مسیر جریان برگشتی را بررسی کنیم.

در سیگنال‌های پرسرعت، جریان برگشتی تمایل دارد در نزدیکی مسیر رفت سیگنال حرکت کند.

زمانی که Track سیگنال از روی یک صفحه زمین پیوسته عبور می‌کند، جریان برگشتی معمولاً می‌تواند در مجاورت همان مسیر حرکت کند.

اما اگر شکافی در صفحه زمین وجود داشته باشد، جریان باید مسیر دیگری برای بازگشت پیدا کند.

این انحراف ممکن است مساحت حلقه جریان و اندوکتانس آن را افزایش دهد و زمینه ایجاد مشکلات EMI را فراهم کند.

راهنمای Sierra Circuits در صفحات ۹۵ و ۹۶، این مسئله را با شکل‌های مقایسه‌ای توضیح می‌دهد.

چگونه از قطع مسیر جریان برگشتی جلوگیری کنیم؟

راهکار اولیه این است که مسیرهای حساس را از روی شکاف صفحه مرجع عبور ندهیم.

اگر استفاده از چند صفحه مرجع ضروری باشد، طراح باید انتقال جریان برگشتی میان آن‌ها را نیز در نظر بگیرد.

برای مثال، هنگام تغییر لایه سیگنال میان دو لایه‌ای که به صفحات زمین متفاوتی ارجاع دارند، می‌توان از Ground Stitching Via در نزدیکی Via سیگنال استفاده کرد؛ مشروط بر اینکه این اتصال با توپولوژی زمین سازگار باشد.

در صورتی که مرجع سیگنال میان زمین و صفحه تغذیه تغییر کند، مسیر بازگشت ممکن است به خازن اتصال میان دو مرجع نیاز داشته باشد.

راهنمای Sierra Circuits در صفحه ۹۸ هر دو حالت را بررسی کرده است.

برای یک زمین جداشده که اتصال دو بخش آن تنها در یک نقطه مجاز است، نباید بدون بررسی طراحی، Via یا خازن اضافی قرار داد؛ چنین اتصالی ممکن است ساختار جداسازی موردنظر را تغییر دهد.

۵. چه زمانی جداسازی زمین آنالوگ و دیجیتال ضروری است؟

پاسخ این سؤال برای تمام مدارها یکسان نیست.

در برخی کاربردها، سازنده آی‌سی روش مشخصی برای اتصال زمین قدرت و زمین منطقی ارائه می‌کند.

برای نمونه، Texas Instruments در صفحه ۶ راهنمای طراحی درایور موتور به ساختارهایی اشاره می‌کند که در آن‌ها باید زمین حامل جریان بالای Pre-driver را از زمین سایر بخش‌ها جدا کرد و سپس اتصال را در نقطه تعیین‌شده برقرار ساخت.

بنابراین، وجود صفحه زمین یکپارچه نباید ما را از رعایت دستورالعمل اختصاصی سازنده غافل کند.

از سوی دیگر، جدا کردن زمین فقط به دلیل وجود قطعات آنالوگ و دیجیتال نیز تصمیم مناسبی نیست.

باید مشخص کنیم جریان کدام بخش از چه مسیری عبور می‌کند، سیگنال‌ها در چه نقاطی میان بخش‌ها جابه‌جا می‌شوند و آیا اتصال پیشنهادی برای آن‌ها مسیر برگشت مناسبی فراهم می‌کند یا خیر.

۶. مثال عملی: طراحی زمین در یک برد کنترل موتور

فرض کنید یک PCB شامل میکروکنترلر، ADC، سنسور جریان و درایور موتور طراحی می‌کنیم.

میکروکنترلر فرمان PWM را برای درایور می‌فرستد و ADC خروجی سنسور جریان را اندازه می‌گیرد.

این مثال یک سناریوی آموزشی است و نتیجه آزمایش یک برد ساخته‌شده محسوب نمی‌شود.

طراحی A: تقسیم زمین بدون توجه به مسیر سیگنال

در طرح اول، بخش آنالوگ و دیجیتال را با یک شکاف مسی از هم جدا می‌کنیم.

سپس سیگنال سنسور را مستقیماً از روی این شکاف به ADC می‌رسانیم. در این حالت، مسیر برگشت سیگنال ممکن است مجبور شود از نقطه اتصال دورتر عبور کند.

چنین ساختاری می‌تواند اندوکتانس حلقه و حساسیت مدار به نویز را افزایش دهد.

طراحی B: تقسیم‌بندی عملکردی با مرجع پیوسته

در طرح دوم، قطعات قدرت را در یک ناحیه و مدار سنسور را در ناحیه دیگری قرار می‌دهیم.

هم‌زمان، صفحه زمین را در زیر مسیرهای حساس پیوسته نگه می‌داریم و مسیر جریان‌های قدرت را به‌گونه‌ای طراحی می‌کنیم که با مسیر برگشت سنسور امپدانس مشترک نامطلوب نداشته باشند.

این رویکرد با مفهوم Partitioning در راهنمای TI مطابقت دارد؛ جایی که سازنده تأکید می‌کند تقسیم‌بندی بخش‌های مدار الزاماً به معنی تقسیم فیزیکی Ground Plane نیست.

اگر درایور انتخاب‌شده به زمین قدرت جداشده نیاز داشته باشد، اتصال‌ها را مطابق دیتاشیت همان قطعه طراحی می‌کنیم.

چگونه عملکرد این دو طراحی را بررسی کنیم؟

برای مقایسه عملی، می‌توان خروجی سنسور و ولتاژ مرجع ADC را در زمان روشن و خاموش شدن موتور اندازه گرفت.

همچنین بررسی ریست میکروکنترلر، نویز تغذیه و تغییرات سیگنال‌های حساس به تشخیص منشأ مشکل کمک می‌کند.

برای مقایسه معتبر، باید از شرایط تغذیه، بار و روش اندازه‌گیری یکسان استفاده کنیم.

بدون اندازه‌گیری نمی‌توان مقدار مشخصی برای کاهش نویز یا بهبود عملکرد این دو طراحی اعلام کرد.

۷. پنج اشتباه رایج در طراحی زمین PCB

در بررسی طراحی، این پنج اشتباه را جدی بگیرید:

۱. جدا کردن زمین بدون بررسی مسیر جریان: ایجاد شکاف ممکن است مسیر برگشت سیگنال‌های عبوری را مختل کند.

۲. عبور دادن سیگنال حساس از روی شکاف زمین: این کار می‌تواند مساحت حلقه جریان را افزایش دهد.

۳. عبور جریان قدرت از مرجع مدار اندازه‌گیری: امپدانس مشترک ممکن است باعث تغییر ولتاژ مرجع شود.

۴. جانمایی قطعات صرفاً بر اساس کوتاهی مسیرها: کوتاه‌ترین Track الزاماً مناسب‌ترین مسیر برگشت را ندارد.

۵. استفاده از یک قانون ثابت برای تمام آی‌سی‌ها: بعضی قطعات به اتصال زمین اختصاصی نیاز دارند و دیتاشیت آن‌ها باید مبنای طراحی باشد.

۸. سؤالات متداول درباره طراحی زمین PCB

آیا باید AGND و DGND را همیشه به هم متصل کنیم؟

روش اتصال به ساختار مدار و توصیه سازنده آی‌سی بستگی دارد. در بسیاری از بردها می‌توان از زمین مشترک استفاده کرد؛ اما بعضی مدارهای قدرت به اتصال کنترل‌شده نیاز دارند.

آیا Ground Plane یکپارچه همیشه نویز کمتری دارد؟

خیر. صفحه پیوسته مسیر برگشت مناسبی فراهم می‌کند، اما جانمایی نامناسب قطعات و عبور جریان قدرت از مسیرهای حساس همچنان می‌تواند نویز ایجاد کند.

آیا می‌توان سیگنال را از روی شکاف زمین عبور داد؟

در حالت معمول بهتر است از این کار جلوگیری کنیم. اگر عبور ضروری است، طراح باید مسیر برگشت جریان و اتصال مناسب میان صفحات مرجع را بررسی کند.

آیا برد دولایه می‌تواند زمین مناسبی داشته باشد؟

بله، اما ایجاد مسیر مرجع پیوسته در بردهای دولایه ممکن است دشوارتر باشد. جانمایی، مسیرکشی و اتصال نواحی زمین اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.

آیا اتصال زمین ستاره‌ای همیشه مناسب است؟

خیر. اتصال ستاره‌ای برای بعضی ساختارهای توزیع توان و اندازه‌گیری مفید است، اما نمی‌توان آن را جایگزین عمومی یک صفحه مرجع پیوسته برای سیگنال‌های پرسرعت دانست.

جمع‌بندی: زمین یکپارچه یا زمین جداشده؟

در طراحی زمین آنالوگ و دیجیتال، هدف اصلی فراهم کردن مسیر برگشت مناسب و جلوگیری از تداخل جریان‌های نویزی با مدارهای حساس است.

در بسیاری از طراحی‌ها، تقسیم‌بندی عملکردی قطعات در کنار یک صفحه زمین پیوسته می‌تواند ساختار مناسبی فراهم کند. بااین‌حال، بعضی مدارها به جداسازی کنترل‌شده زمین‌های مختلف نیاز دارند.

پیش از انتخاب روش طراحی، مسیر جریان‌ها، ساختار لایه‌ها و توصیه سازنده قطعات را بررسی کنید.

اگر قصد تولید برد مدار چاپی خود را دارید، پس از تکمیل بررسی‌های طراحی می‌توانید از طریق صفحه سفارش PCB از چین  با خدمات پایلوتک آشنا شوید یا از بخش استعلام قیمت PCB  درخواست خود را ثبت کنید.

در مقاله بعدی پایلوتک، مفهوم Hot Loop در منابع تغذیه سوئیچینگ و تأثیر آن بر EMI را بررسی خواهیم کرد.

منابع تخصصی مقاله

منبع اول: Texas Instruments

Best Practices for Board Layout of Motor Drivers — SLVA959B، ویرایش اکتبر ۲۰۲۱.

صفحات ۳ تا ۷: Grounding Optimization، روش‌های اتصال زمین، تقسیم‌بندی و مسیر جریان برگشتی.

دریافت سند رسمی TI 

منبع دوم: Sierra Circuits

High-Speed PCB Design Guide — 2020.

صفحات ۸۲ تا ۸۶: تقسیم‌بندی مدارهای آنالوگ و دیجیتال، صفحه زمین و مشکلات Split Ground.

صفحات ۹۵ تا ۹۹: Signal Return Path و انتقال جریان برگشتی میان صفحات مرجع.