У нашего заказчика есть продукт с аналоговым аудио и видео, которые он хочет оцифровать и передавать на мобильный телефон, таким образом позволив пользователю получать картинку и звук как традиционным способом, так и через мобильное приложение.

Мы уже прошли этап PoC, активной разработки, первых тестов и дошли до этапа второй ревизии платы. Заказчик прислал нам новые образцы, еще один сетап и неожиданно для себя мы обнаружили, что в звуке появился шум, которого раньше не было. Причем шум ярко выраженный, неприятный, определенной частоты.

Условия возникновения шума

Наша плата - только одна часть этой системы, которая состоит где-то из 5 блоков. Не вдаваясь в подробности, но в лучших традициях правила «разделяй и сужай область поиска» мне удалось установить, что проблема была в AC-DC преобразователе, который даёт основное 14V питание для всей системы.

Дело в том, что при передаче аудио "традиционным" способом потребление системы составляет около 500мА, а при передаче цифровым способом - около 300мА. Часть компонентов "традиционного" способа отключается за ненадобностью и общее потребление снижается. Казалось бы, что может пойти не так?

Но для AC-DC преобразователя эти 200мА оказались решающими. При потреблении до 450мА он по сути работает в light mode режиме, который вообще является совсем не лайт для преобразователей питания, и начинает генерировать весьма заметные пульсации по питанию. После 450мА, при переходе в "нормальный" режим работы эти пульсации полностью исчезают.

Как выяснилось, заказчик заменил прежние AC-DC блоки питания на более мощные, о чем разумеется нам не сообщил. И если в старых сетапах проблема не проявлялась, то в последний сетап с новыми платами он заодно добавил и новый AC-DC.

И именно этот шум мы увидели на выходе динамика.

Причина

Первым делом мы разумеется начали проверять питание и все возможные места, где 14V могут просачиваться в линию звука или питание аудиочасти. Но нигде никаких пульсаций не наблюдалось. Питание было очень хорошо отфильтровано: аудио часть питалась после RC фильтра 10R 1000uF, а все LDO имели PSRR 50-60dB.

Разгадка пришла, когда мы начали смотреть в сторону кабелей.

Урезанный сетап, где была локализована инжекция шума в звук выглядит следующим образом: Главная управляющая плата с AC-DC преобразователем запитывает и передает звук на внешнюю плату с аудиовыходом и динамиком.

Они могут находиться на большом расстоянии друг от друга, поэтому чтобы условия тестирования были максимально близки к реальным, блоки соединялись длинным Ethernet кабелем. Собственно, в реальности они так и подключаются друг к другу.

Как часто это происходит во время дебаггинга, первым шагом к разгадке стала случайность.

Я заметил, что один и тот же сигнал на стороне SCU и на стороне Panou имеют разную амплитуду. И хотя провод физически длинный, электрически то он - короткий. Т.е. там не должно быть никакой разницы. Но в любом случае, это заставило обратить внимание именно на подключение.

Как только мы сделали подключение короткими проводами, шум в аудио если не исчез, то очень заметно снизился до приемлемых значений. Сделав несколько подключений, мы убедились, что на уровень шума влияет только провод земли. Как только он становится коротким, шум почти исчезает.

Измерения

Очевидно, что каждый провод имеет паразитное сопротивление и индуктивность. Поскольку возможности измерить его индуктивность не было, мы начали с сопротивления.

У длинного провода оно было 500мОм, у короткого - 4мОм.

При этом шум на динамике был 30мВ с длинным и 7мВ с коротким.

Чтож, разница конечно не в 100 раз, как у сопротивления, но хотя бы был выявлен первый тренд!

А если измерить переменное напряжение на самом кабеле, то в случае длинного кабеля оно было 8мВ, а в случае короткого - почти 0мВ.

Цифр много, но какой вывод из этого можно сделать?

• Между SCU и Panou протекает некий переменный ток
• Земли между этими платами имеют разницу в потенциале. Причем не только постоянную, но и переменную

Чтобы подтвердить влияние паразитного сопротивления на шум в динамике мы добавили контролируемое сопротивление Rgnd (1Ом, 0.5Ом и 0.33Ом) последовательно с коротким проводом. После чего сделали замеры:

• AC voltage drop на Rgnd
• AC voltage шум на входной линии звука
• AC voltage шум на динамике

Полученные значения подтвердили тренд - чем меньше сопротивление Rgnd, тем меньше шум аудио. Но при этом, AC ток не меняется пропорционально Rgnd.

Источник проблемы

Но что это за переменный ток? Почему он течет? И можем ли мы его как-то контролировать?

Для наглядности, давайте представим эквивалентную схему подключения на картинке ниже.

• На стороне Panou есть свои DC-DC, которые преобразовывают 14V в нужные напряжения. Соответственно, каждый из них имеет свою входную емкость.
• Суммарно, на всей плате около 600uF входной емкости
• Такая большая емкость обеспечивает низкоимпедансный путь для AC ripple 800Hz
• Это переменное напряжение шума протекает через конденсатор и обратно в SCU через паразитное сопротивление провода
• В результате, протекающий ток вызывает падение напряжения на проводе, тем самым поднимая потенциал земли Panou

По сути мы можем сказать, что импеданс Cinput (вместе с ее ESR) и паразитное сопротивление Rgnd образуют своего рода "делитель напряжения" с Cin в верхнем плече, Rgnd - в нижнем, а средняя точка - это земля Panou.

Значит, мы можем повлиять на шум не только снизив сопротивление, но и снизив входную емкость.

Играемся с делителем

Мы убрали с Panou два 220uF конденсатора и повторили те же самые замеры из первой таблицы. Но даже еще до замеров результат стал понятен, когда этот мерзкий шум перестал быть слышимым.

Как видно из первого столбца, мы посчитали суммарное сопротивление, включая оценку ESR, входной емкости для 800Гц, а значит можем сравнить измеренные значения с теоретическим расчетом.

Единственное, стоит добавить, что помимо Cin в верхнее плечо делителя еще вносит свой вклад паразитное сопротивление провода питания, которое составляет около 330мОм.

Значения очень близки, хоть и имеют небольшую аддитивную разницу. Но тренд подтверждается очень хорошо.

Можно, конечно, оставить входную емкость как есть и добавить последовательное сопротивление в питание 14V на стороне SCU. Последовательное сопротивление 1Ом или 2Ом не только снижает шум на земле, но еще и снижает пульсации на стороне Panou.

Дополнительный 1Ом ощутимо снижает шум, а 2Ом делает его почти не слышимым. Но помимо проблем с падением напряжения и тепловым рассеиванием, остается еще непредсказуемое влияние паразитного сопротивления кабеля, который может быть произвольной длины.

Решение

Опираясь на аналогию с делителем напряжения можно подобать подходящее решение:

• Увеличить сопротивление верхнего плеча
• Снизив входную емкость или увеличив последовательное сопротивление по питанию
• Уменьшить сопротивление нижнего плеча
• Снизив сопротивление земли
• Снизить амплитуду пульсаций
• Выделить отдельный путь для аудио земли
• Увеличить потребление тока, чтоб выйти из Light mode работы AC-DC

У каждого из этих вариантов есть свои плюсы и минусы, но главное - понимание природы проблемы, которое позволяет принимать осознанное и оптимальное решение, а не тыкаться на рандом.

В целом, у резисторов можно выделить два основных вида шума:
1. Тепловой шум (шум Джонсона–Найквиста)
2. Фликкер-шум (1/f шум).

Тепловой шум

Тепловой шум возникает из-за хаотического теплового движения электронов внутри любого резистора. Он зависит только от сопротивления и температуры. Чем они выше - тем выше шум.

Этот шум не меняется с частотой и имеет равномерное распределение (т.е. является белым шумом).

По сути - это аддитивная составляющая.
И что самое приятное, этот вид шума не зависит от технологии изготовления резистора.

Фликкер-шум

А вот Фликкер-шум - это совсем другая история.
Он зависит от частоты, причем обратно пропорционально: чем ниже частота, тем выше уровень шума.
И что самое неприятное - этот вид шума зависит от технологии изготовления резистора.

В хорошем резистор очень простой путь протекания тока. В плохом - ток должен пройти по более сложной и неоднородной структуре, причём микроскопические параметры проводящих каналов могут со временем изменяться. Эти флуктуации и создают дополнительный шум.

Самая большая проблема - внешне эти резисторы могут выглядеть совершенно одинаково!

Расчет Фликкер-шума

Формула расчета более сложная, но основные ее компоненты это:

• Напряжение на резисторе
• Частота
• Noise Index (NI)

Noise Index самый интересный параметр этой формулы, потому что он зависит не только от технологии изготовления резистора, но может отличаться от производителя к производителю.

На графике ниже можно наглядно увидеть, как разница в NI влияет на общий уровень шума резистора.

Где искать значение NI?

Значение NI иногда можно встретить в даташите (Current Noise in µV/V вставляется вместо 10^(NI/20)), но чаще всего его нужно искать где-то еще. Например, в документах, как описание технологии резистора или вроде того.

Общий уровень шума

В конечном итоге, на низких частотах основной вклад в шумы вносит Фликкер-шум, а на высоких - только тепловой. Это хорошо показано на графике ниже.

Посчитать их суммарное влияние можно через стандартную формулу сложения шумов (корень из суммы квадратов).

Так какие резисторы шумят мало?

Hans Rosenberg сделал несколько собственных измерений и получил следующие результаты:

Самыми худшими, как ожидалось, являются наиболее распространенные Thick film резисторы. Thin film и MELF резисторы на 20дБ лучше.

Так же плохими резисторами считаются:

• Углеродные (Carbon composition)
• Thick film
• Carbon film
• Metal oxide film

Хорошими считаются:

• Thin film
• Metal film
• Wirewound (но нужно иметь ввиду их паразитную индуктивность)
• Bulk metal foil (очень дорогие)

Для тех, кто хочет закопаться в эту тему глубже, есть статья, где сравниваются разные серии резисторов от разных производителей.

P.S. Забавное наблюдение: чем больше размер резистора, тем меньше его шум.

Температура

Зависимость сопротивления от температуры сложно назвать "подводным камнем". Про это знают почти все, начиная с университета. А чтоб не забывали, значение Температурного Коэффициента Сопротивления (ТКС) указывается не только в описании резистора, но даже в фильтрах условного DigiKey.

Напряжение

Сопротивление идеального резистора не должно зависеть от напряжения, но у реального всё-таки зависит. Чем больше приложенное напряжение, чем сильнее воздействие электрического поля и тем меньше его сопротивление. Уровень влияния зависит от размера резистора, его конструкции, материала и технологии изготовления. Но степень этого влияния наименьшая из всех.

Частота

А вот тут уже начинается самое интересное.

Для начала нужно вспомнить, что эквивалентная схема резистора состоит, помимо самого сопротивления, еще из последовательной паразитной индуктивности и параллельной паразитной емкости.

Чем больше паразитная индуктивность, тем больше итоговое сопротивление резистора на высоких частотах.

Чем больше паразитная емкость, тем меньше итоговое сопротивление резистора на высоких частотах.

И мало того, что эти два паразитных элемента меняют свой импеданс под влиянием частоты, они еще очень сильно варьируются у разных типов резисторов.

Что влияет?

Основное влияние на частотозависимость резистора оказывают:

• Тип резистора (пленочный, выводной, карбоновый и т.д.)
• Грубо говоря, какой-нибудь проволочный резистор будет иметь высокую индуктивность из-за того что он представляет собой проволоку намотанную на керамику, в то время как у тонкопленочного эта индуктивность будет минимальной
• Его размер
• Чем меньше размер вывода резистора, тем меньше его индуктивность. У 0201 она в 20 раз меньше, чем у 0603
• Его номинальное сопротивление
• Если сопротивление очень маленькое, то при повышении частоты на него будет влиять индуктивность
• Если оно большое, то большую частоту начнет шунтировать емкость и сопротивление упадет
• Наиболее "резистивное" поведение показывают номиналы от 100R до 470R. Менее 100R при повышении частоты имеют индуктивное поведение, а более 470R - емкостное
• Конструкция резистора
• Производители идут на всякие конструктивные трюки, такие как триминг: делают в пленке резистора надрез специальной формы, чтобы уменьшить его индуктивность

Ниже хороший график, который показывает зависимость сопротивления от частоты у тех или иных разисторов. Там имеются как одинаковые типы, но с разным номиналом (1, 2 или 3, 6, 7, 10, 12), так и сравнение разных: carbon, metal glaze, chip thin, chip thick, MELF.

Если посмотреть внимательно несколько минут в этот график и подписи к резисторам, то становится понятно, что итоговый импеданс зависит от совокупности факторов, некоторые из которых могут как компенсировать друг друга, так и усугублять. А это значит, что для каждого случая нужен индивидуальный подход.

Производители тоже не сидят на месте и выпускают специальные High Frequence Resistors, но их цена на порядок выше, чем у обычных. Ну а что вы хотели, бесплатно ничего не бывает ;)

Источники

[1] Resistor Voltage and Frequency Dependence

[2] Designing for Ultra-Low THD+N (Part 2)

[3] A Critical Resistor Pitfall You Didn't Know

Даташиты на ферритовые бусины не всегда щедры на информацию. Многие из них вообще бывают одностраничными, где кроме таблицы основных параметров ничего нет. В лучшем случае, добавляют графики зависимости импеданса от частоты. Проблема в том, что все эти значения и импедансы получены при нулевом постоянном токе(!!!), а это очень редкий сценарий.

Ферритовые бусины, как и керамические конденсаторы, подвержены DC bias эффекту. В их случае это явление, когда индуктивность и импеданс бусины снижаются в зависимости от величины протекающего через них постоянного тока.

По мере роста постоянного тока, материал сердечника (core material) начинает насыщаться, что приводит к значительному падению индуктивности. Уровень снижения, зависит от материала феррита.

Насколько сильно это смещение можно посмотреть на графике ниже, где видно, что даже 1А роняет индуктивность бусины в 8 раз, хотя ее номинальный ток - 3А. У бусины с номиналом 6А ситуация лучше, но масштаб всё равно ощутимый.

По сути, «Rated current» в даташите бусины - это значение максимального тока, который она может выдержать. Но это не то же самое, как у обычной катушки индуктивности, где мы просто выбираем rated current больше реального протекающего, будучи уверенными, что характеристики катушки не изменятся существенно. А вот у бусины изменятся существенно.

Вместе с индуктивностью падает и суммарный импеданс. На графиках ниже показана зависимость импеданса от тока для бусин с номиналом 3 А и 6 А.

Я искренне не понимаю, почему о таком существенном эффекте не пишут в даташитах, ведь это может сделать использование бусины абсолютно бесполезным.

Эмпирическое правило: использовать ферритовую бусину на 20% от ее номинального тока. Например, если ток цепи - 100мА, выбирайте компонент с током как минимум в 5 раз больше. Импеданс всё равно просядет, но хотя бы на 10–30 %, а не в разы.

Да, это неприятно, но дает хоть какой-то компромисс между эффективностью фильтрации и размером бусины.

Источники

[1] Ferrite Beads Demystified

Для этого человечество придумало такую вещь как ORing. В простейшем виде это два диода: аноды подключены к разным источникам питания, а катоды - выводят на основное питание платы.

Очевидный минус такого решения — потери на диодах. При больших токах на них рассеивается много энергии и они сильно греются.

Обычно, при основной работе девайс потребляет много тока, а при зарядке - мало: может светодиодами помигать, может какой-то ограниченный функционал выполнять и т.п. При этом, чаще всего, портативное устройство - это коммерческий или компактный (или всё вместе) девайс, где особо не разгуляешься.

Исходя из всех этих вводных, для ORingа родилась схема, которую очень часто и много где используют. Один из диодов заменяется на полевой транзистор, через который течет ток от батареи при основной работе. Когда подключается USB, транзистор закрывается и небольшой ток питает схему через диод.

А чтоб снизить перегрев еще больше - ставят диод Шоттки. У него меньше прямое падение, а значит меньше тепла рассеивается.

Схема, конечно классная. Она изящная, дешевая, простая в исполнении и компактная. При этом каких-то других альтернатив на двух полупроводниках и одном пассиве - не наблюдается.

Но всё-таки есть нюанс...

Почему 100к?

Первый пункт, на который стоит обратить внимание - это сопротивление в затворе.

Чтобы в очередной раз сэкономить ток, уменьшить перегрев и сэкономить место на плате, в затвор мосфета ставят резистор с большим номиналом. На нём, всё-таки прямое падение напряжение 5В. Чем больше сопротивление, тем меньше ток через него течет, тем меньше рассеиваемая мощность, тем меньший типоразмер можно поставить - вплоть до 0201.

Токи утечки

Второй пункт - это токи утечки диода Шоттки. Мы уже обсуждали, что токи утечки кажутся незначительными только на первый взгляд. Если во время работы на плате что-то нагревается, то они вырастают кратным образом.

И вот представьте ситуацию:

1. Девайс работает от батареи, USB не подключен
2. Девайс потребляет какое-то количество тока и возможно даже греется
3. С увеличением температуры, ток утечки через Шоттки возрастает и по сути он из диода превращается в маленький источник тока, который забирает его от батареи
4. (Как минимум он увеличивает разряд батареи)
5. Но куда течет ток? Через диод -> затем через R1 -> и в землю
6. При сопротивлении 100к, даже небольшой ток вызовет на нем ощутимое падение напряжения

7. Напоминаю, что транзистор Q1 открыт только потому, что на его затворе 0V (потенциал земли, подтянутый через R1), а на Истоке - напряжение батареи (от 4.2В до 3В)

8. Ток утечки всего лишь в 1мкА создаст на затворе напряжение 1В вместо 0В, соответственно разница напряжений будет меньше

9. По мере разряда батареи и увеличения тока утечки, в какой-то момент разница между затвором и истоком станет меньше, чем Vgs(threshold) и транзистор просто закроется

10. Ток, конечно, сможет протечь через паразитный диод мосфета, но это еще минус 0.8В на VIN

11. Скорее всего, такое маленькое напряжение вы не рассчитывали увидеть на VIN и питание устройства просто пропадет. Пока разница Vgs снова не превысит Vgs(threshold)

12. А если девайс должен работать при высокой температуре окружающей среды, то это вообще до свидания

Разумеется, вся эта последовательность событий может не произойти и самое худшее, что случится - батарея будет разряжаться на несколько микроампер быстрее. Но возможные риски лучше предусмотреть заранее.

Что с этим можно сделать?

1. Самый простой способ - снизить номинал резистора.
   При значении в 1к, падение в 1 В возникнет только при токе утечки 1 мА. Стоит уточнить, что это вполне реальная цифра для диода Шоттки, но запас всё-таки неплохой.
   Ну и не забываем, что во время заряда на 1к будет рассеиваться 0.25Вт и в таком случае, лучше ставить типоразмер 2512 :)
2. Можно диод Шоттки заменить на обычный диод.
   В этом случае проблема с утечками снизится до незначительной, но, как ни странно, чем меньше ток утечки, тем больше прямое падение напряжения диода Vf.
   Если напряжение на VBUS ровно 5В, то вам не страшно Vf вплоть до 0.8В.
   Но если там не 5В, а меньше (допустим что-то падает на проводах) или Vf диода более 0.8В, то в какой-то момент напряжение батареи будет больше, чем напряжение VIN. А значит, она больше не сможет заряжаться и будет недозаряженной.
   К слову, стандарт USB допускает отклонение напряжения до 4.75В, а Vf более 0.8В - обычное явление для диодов с малыми утечками.
3. Использовать какую-то другую схему ORing.
   Тут уже универсальной рекомендации нет, но на рынке есть простые и дешевые ORing микросхемы, которые могут как-то компенсировать все эти недостатки.

Какую схему в этой ситуации использовали бы вы? Пишите в комментариях ;)

Что происходит?

Когда вы подключаете щуп для измерения сигнала, нужно помнить, что и щуп, и осциллограф имеют свою внутреннюю схему. Ключевые элементы в ней - это входная емкость и входное сопротивление. И как бы ни старались производители оборудования, эта внутренняя схема так или иначе влияет на измеряемый сигнал и на результаты, которые мы видим на экране.

На рисунке ниже показана эквивалентная схема, которую формирует щуп вместе с осциллографом и тут важно обратить внимание на паразитную индуктивность провода земли.

Чаще всего земля щупа - это 15-сантиметровый провод с крокодилом на конце. Им очень удобно цепляться к плате и спокойно тыкаться в нужные точки схемы. Проблема заключается в том, что у этого провода - относительно большая паразитная индуктивность.

Вместе с остальной схемой они образуют последовательный колебательный контур, эквивалентная схема которого на рисунке ниже.

Получается следующая картина:

• Сигнал резко меняет напряжение с 0 до Vcc
• Во время переходного процесса через конденсатор и индуктивность начинает протекать ток
• Образовываются колебания энергии, создающие тот самый звон

Как измерять правильно?

Если нужно увидеть чистый сигнал с минимальным влиянием щупа, то вместо провода с крокодилом лучше всего использовать "короткую землю" или пружинку, которая обычно идет в комплекте вместе с самим щупом.

У такой земли значительно меньшая паразитная индуктивность, а значит, для колебаний нужна еще более высокая частота/еще более быстрой фронт нарастания сигнала.

Правда, при работе с ней нужно быть аккуратным: тыкаться ей в землю очень неудобно, а сам вывод пружины нет-нет да отлетает куда-то в сторону. По закону подлости это может произойти на шину питания. Однажды я так неудачно закоротил питание и результат на фото ниже.

Насколько велика разница?

На осциллограммах ниже показаны измерения одного и того же импульса, но с разной длиной заземлением щупа: 15см, 63см и с заземлением через шасси.

• 15см - это стандартное заземление щупа
• 63см - это что-то экзотическое, используется при измерениях в больших (физически) системах
• Шасси - это тот случай, когда некуда подцепиться крокодилом на плате, и вы цепляетесь к металлическому выводу осциллографа

Я измерял сигнал с длинным заземлением и не видел никакого звона!

Чтоб длинное заземление спровоцировало звон, нужно как минимум две вещи:

1. Импульс с быстрым фронтом нарастания
2. Хороший осциллограф.

Чем короче фронт, тем форма импульса ближе к прямоугольной. А прямоугольная форма содержит в себе всякие высокие частоты второго и далее порядков. Поэтому, чтоб вызвать индуктивность заземления начала как-то ощутимо звенеть, на неё должна воздействовать частота с достаточной энергией.

Чем больше индуктивность, тем меньшая частота может вызватьзаметное колебание.

Так, например, щуп с входной емкостью 11pF и стандартным 15-см заземлением при воздействии быстрого импульса начнет звенеть от частоты около 140МГц.

Если у вас осциллограф с полосой пропускания 100МГц, то звон на частоте 140МГц вы не увидите. Будет казаться, что всё более-менее окей.

Если же - с полосой пропускания 50МГц, вы не увидите и более низкочастотный звон.

Поэтому важно не только сгенерировать звон, но еще и увидеть его!

Источники

[1] ABC of Probes

[2] Back to Basics: Passive Oscilloscope Probes: Part 1

[3] Overshoot Of PWM Signal

Я не помню, что он тогда мне ответил, но сейчас попробую ответить на этот вопрос сам.

В чем проблема?

Представим, что нам надо передать сигнал от микросхемы А к микросхеме В. Какая наша цель? Передать этот сигнал без каких либо искажений.

У нас есть источник этого сигнала (микросхема А) и есть приемник этого сигнала (микросхема В).

Источник генерирует какое-то напряжение, а приемник его принимает и обрабатывает.

Сопротивление источника

Источник напряжения, как и любой другой источник, имеет какое-то внутреннее сопротивление.

Проблема этого сопротивления в том, что при протекании тока через него, на нем падает напряжение. При одном и том же токе, чем больше сопротивление - тем больше падение напряжения.

А значит и сигнал передается с меньшей амплитудой. Получается искажение.

Поэтому, в идеале сопротивление источника (или выходной импеданс) должно быть бесконечно маленьким.

Сопротивление приемника

Приемник сигнала тоже имеет входное сопротивление, только не последовательное, а между входом и землей.

Его проблема в том, что при поступлении напряжения на входной пин, ток сигнала начинает утекать через это Rin, а следовательно напряжение проседает.

Тоже получается искажение сигнала.

Соответственно, в идеале, это напряжение должно быть бесконечно большим.

Источник и приемник

Если соединить источник и приемник, то их импедансы образовывают делитель напряжения. Поэтому, такое большое внимание уделяется тому, чтобы этот "делитель" оказывал минимальное влияние на передаваемый сигнал.

Наиболее близким к идеалу является операционный усилитель. Вообще главные свойства "идеального" ОУ - это бесконечно большое входное сопротивление и бесконечно малое выходное сопротивление.

Из-за этих свойств их очень часто используют для согласования сигнала или передачи напряжения от какого-то датчика, особенно если датчик построен на делителе напряжения или мосте Уитстона.

В режиме буфера, операционные усилитель отлично изолирует чувствительный выход датчика от входа микросхемы со всякими паразитными внутренностями.

Зачем он вообще нужен?

Виа-ститчинг используется для нескольких целей:

1. Увеличение пропускной способности по току
2. Теплоотвод
3. Экранирование
4. Улучшение земли

Про последний пункт я слышал еще в университете, причем именно в таких выражениях: «Делайте виа-стичинг, чтобы земля была лучше».
Будучи студентом, такие понятия как «земля» и ЭМС казались настолько сложными, что я не задавался дополнительными вопросами, а просто брал и делал.

Но что же такое хорошая земля?

Хорошая земля - это земля с низким сопротивлением и низкой индуктивностью.
Окей, а как на это влияет виа-ститчинг?

Для ответа на этот вопрос давайте вспомним несколько вещей:

1. Земля - это цепь, по которой течет возвратный ток
2. Ток предпочитает течь по пути наименьшего сопротивления
3. Если мы имеем дело с постоянным (DC) током, то он будет течь по самому короткому пути. Потому что самый короткий путь - это наименьшее резистивное сопротивление
4. Если мы имеем дело с переменным (AC) током (особенно если это ток с высокой частотой), то помимо резистивной составляющей появляется еще и индуктивная составляющая. Сумма этих составляющих даёт «импеданс» для возвратного тока
5. Возвратный ток очень высокой частоты будет течь не по самому короткому пути, а аккурат под дорожкой, по которой он притек. Т.е. под линией прямого тока
6. Это происходит потому, что для высоких частот наименьший импеданс для возвратного тока находится именно под путем пролегания прямого тока
7. Другими словами:

• Для DC тока наименьший импеданс - это самый короткий путь
• Для AC ток наименьший импеданс - это пусть с самой маленькой петлей

Об этом хорошо написал и проиллюстрировал Резонит:

На рис. 2 показаны два компонента на печатной плате. Сигнал частотой 50 МГц распространяется по проводнику над полигоном от компонента А к компоненту Б. Мы знаем, что такой же по величине сигнал должен распространяться обратно от компонента Б к компоненту А. Предположим, что этот ток (назовем его возвратным) протекает от вывода компонента Б, обозначенного GND, к выводу компонента А, обозначенного также GND.

Поскольку обеспечена целостность (неразрывность) полигона, и выводы, обозначенные как GND, обоих компонентов расположены близко друг от друга то, это склоняет к заключению, что ток выберет самый короткий путь между ними (путь 1). Однако, это не правильно. Высокочастотные токи выбирают путь наименьшей индуктивности (или путь с минимальной областью петли, путь наименьшего витка). Большая часть сигнального возвратного тока течет по полигону по узкому пути прямо под трассой сигнала (путь 2).

Влияние на ЭМС

Если высокоскоростной возвратный ток всё-таки образует петлю, то он генерирует электромагнитное излучение. Чем больше петля, тем сильнее излучение. Поэтому идеальная земля должна быть:

• Сплошной
• Без вырезов
• Без всяких препятствий

Т.е. идеальная земля - это полноценный выделенный слой земли на печатной плате, где нет никаких вырезов, где не проходит никаких дорожек и нет никаких компонентов.

Когда нужен via stitching?

Если в плате уже есть такой слой земли, то сделать его еще "лучше" особо и не получится. Достаточно поставить via в нужные места рядом с выводами GND и дело в шляпе.

Обычно такая земля присутствует в 4-х и более слойных платах, а иногда - в простых 2-слойных.

Но если плата имеет всего 2 слоя, на каждом из которых расположены компоненты и дорожки, то земля в ней - это не полноценный выделенный слой, а тупо оставшееся место на печатной плате.

Обычно инженер прикидывает примерное протекание тока земли на этапе расстановки компонентов, держит его в уме при трассировке дорожек, затем делает заливка всей платы медью, а возвратный ток уже сам разбирается как он вернется обратно.

Вот на примере ниже, допустим, нам надо чтобы возвратный ток прошел путь из точки А в точку В. Из-за топологии и всяких препятсивий в виде компонентов и дорожек, получается большая петля.

Но если добавить via stitching, то благодаря наличию слоя земли на стороне bottom, путь тока будет пролегать из точки А, через via1, по слою bottom и вот наконец по via2 он попадет в точку В. Путь в итоге становится гораздо короче.

В большой плате с 2 слоями таких участков может быть очень много. Поэтому, чтоб не мучиться и дать возвратному току возможность самому выбирать наиболее оптимальный путь, используется via stitching, когда тупо всё свободное пространство земли прошивается переходными отверстиями, создавая большое количество таким "мостиков", уменьшая петли, а значит и уменьшая электромагнитное излучение.

Другими словами, делая "улучшение земли"!

Источники

[1] EEVblog #1176 - 2 Layer vs 4 Layer PCB EMC TESTED!

[2] Резонит - Проектирование с учетом ЭМС

[3] PCBWay - What are Stitching Vias? | PCB Knowledge

[4] Плата, сделанная мной в рамках курсовой в университете

-Если поставить слишком низкие номиналы, то будет большое потребление. Если слишком высокие, то схема станет чувствительна к шумам и помехам. - ответил он мне.

И если с первой половиной ответа у меня не возникло вопросов, то вторая не показалась мне такой очевидной. Но я сделал умное лицо и уверенно кивнул: "Понял, спасибо".

По-настоящему же я понял только несколько дней назад благодаря видео о совершенно другой теме.

Usecase

Ближайший наглядный пример - это DC-DC конвертер, который имеет делитель напряжения для обратной связи (резисторы R1 и R2 на рисунке ниже), а так же линию SW, на которой происходит переключение напряжения.

Теперь представим, что линии SW и FB находятся рядом друг с другом и начинаем следить за руками, поглядывая на рисунок ниже:

• Между линиями SW и FB есть паразитная емкость Cp.
  Она может быть меньше, может быть больше, но она так или иначе есть.
• На линии SW происходят быстрые переключения от 0V до Vmax.
• В момент переключения, через паразитный конденсатор Cp начинает протекать ток Ip, который заряжает или разряжает его.
• Таким образом, на линию FB втекает или вытекает дополнительный ток
• Вспоминаем закон Ома, согласно которому U = I*R
• Получается, что чем больше сопротивление, тем больше бросок напряжения, который вызывает этот паразитный (во всех смыслах) ток.

Всё гениальное просто...

Немного формул

Как вы заметили, помимо номинала сопротивления, свой вклад в уровень помех вносят паразитная емкость Cp и паразитный ток Ip.

Как бороться с паразитной емкостью?

Что делать с паразитной емкостью более-менее понятно:

• Вспоминаем формулу емкости

• Делаем между линиями расстояние как можно больше
• Уменьшаем длину, где они всё-таки идут параллельно
• Можно добавить заливку землей между ними

Как бороться с паразитным током?

Паразитный ток определяется следующей формулой:

Т.е. он зависит от

1. Паразитной емкости (с ней мы разобрались выше)
2. Амплитуды напряжения
3. Скорости его изменения

Зная все эти зависимости, можно не только снизить влияние помех, но и даже посчитать, насколько они критичны в вашем случае.

Заключение

Пример с фидбеком в DC-DC выбран исключительно для наглядности и им дело не ограничивается. Делители напряжения используются много где, они могут быть окружены разными сигналам, работать в разных электромагнитных условиях и так далее.

Источники

[1] The effect of gate turn-on resistor on EM emission: An intuitive explanation

Обычно выделяют две причины, по которой используют teardrops:

1. На случай, если отверстие в via или THT паде будет просверлено со смещением
2. На случай механических или термических нагрузок.

Точность сверла

Если присмотреться к via или through hole падам через микроскоп, то легко увидеть, что отверстия находятся не по центру, а с небольшим смещением. Обычно это смещение не критичное, а с неуклонно повышающимся уровнем точности изготовления печатных плат, кажется, что это и вовсе на актуально.

Но это зависит от фабрики, где делаются печатные платы, количества и сложности трассировки. Для плат, где BGA с маленьким шагом выводов, это может повысить процент выхода годных.

К тому же, помимо допуска сверловки, есть еще допуск по "склеиванию" одного слоя платы - с другим. Может получиться так, что на одном слое сверло попало точно в цель (ну или смещение не критичное), а на другом - смещение слоя + смещение сверловки = ситуация, как на рисунке выше.

Лично для меня все эти допуски и вероятности кажутся каким-то выцеживанием комара, но может я просто не сталкивался с такими проблемами. Во всяком случае, добавить teardrops на плату - это вопрос 3 кликов мышки и стоит он 0$. Почему бы и нет?

Трещины и надломы

А вот эта проблема мне видится гораздо более актуальной.

Если вы намереваетесь использовать разрабатываемую плату в условиях, где есть термоциклы или высокие вибрации, то может произойти ситуация, когда место стыка дорожки и переходного отверстия/пада надламывается или трескается.

В случае термоциклов это происходит из-за того, что коэффициент расширения меди и стеклотекстолита разный. Один расширяется сильнее, другой меньше, получаются механические напряжения и в какой-то момент дорожка отрывается.

Похожая история и с вибрацией. Даже если у вас не гибкая плата, при высоких и частых вибрациях, она трясется туда-сюда, изгибается, а соответственно изгибаются и дорожки.

В этом случае, повысить надежность контакта может либо широкая дорожка, но если такой возможности нет, то хотя бы teardrops.

Некоторые люди вообще считают, что помимо всего вышеописанного, teardrops обязательно использовать в следующих случаях:

• Ширина дорожек 0.15мм и менее
• Есть BGA компоненты с маленьким шагом
• Если плата гибкая или твердая, но с толщиной 0.3мм

Источники

[1] Use PCB Teardrops to Increase Yield & Design Quality

[2] Thermomechanical Failures in Plated Through Vias (PTVs)

[3] Avoiding Thermomechanical Failures in PTH