Inženýři používají slovo „uzemnění“ v každém elektronickém obvodu pro označení některé části systému nebo konstrukce, která je „neutrální“ nebo má nulový potenciál. Bohužel si často myslíme, že obvody a systémy, zejména ty s analogovými a digitálními signály, mají více než jednu zem. Tento pojem dal podnět k nedávné diskusi v online komunitě zabývající se signálovou integritou, která nás přiměla k napsání tohoto článku. Inženýři a konstruktéři desek plošných spojů často zmiňují různé typy uzemnění a způsoby jejich propojení. To, jak se tyto „země“, které jsou ve skutečnosti zpětnými cestami, propojí, může významně ovlivnit výkon systému.

Mezi druhy uzemnění zmíněné v této diskusi patří např:

• Logická zem
• Analogická zem
• Země šasi
• Bezpečnostní zem
• Země

Metody navrhované pro připojení těchto různých „zemí“ zahrnují širokou škálu možností, včetně:

• Připojení pouze v jednom bodě.
• Odříznutí zemní roviny pod smíšenou signálovou součástkou
• Připojení pomocí kondenzátorů.
• Segmentace zemní roviny v desce plošných spojů tak, že mezi analogovou a digitální stranou návrhu je pouze úzké spojení v jednom místě.
• Oddělení analogových a digitálních uzemnění.

Obrázek 1 Symbol digitálního logického uzemnění, který je vidět ve většině schémat.

Tyto zdánlivě protichůdné metody řešení uzemnění mohou být trochu matoucí. Začneme tím, že si ujasníme, co je to zem, což by mělo zmatek omezit.

První otázka, kterou si můžete položit, zní: Jak mohou být všechny výše uvedené položky uzemněné? Odpověď je jednoduchá: Žádná z nich není zemí. Zem je jediné místo v elektronickém systému, které je referenčním bodem, od kterého měříme napětí.

Jestliže je toto jediná definice, co jsou potom ty ostatní věci, kterým se říká zem?

Země digitální logiky je „referenční“ svorka napájecího zdroje pro vaši digitální logiku. U většiny digitálních logických systémů je to záporná svorka logického napájecího zdroje, obvykle znázorněná symbolem na obrázku 1 .

Analogová zem je referenční svorka zdroje, který napájí analogový obvod. Je to místo, kde je svázána jedna strana zdroje analogového signálu. Druhá strana zdroje signálu je svázána s analogovým vstupem nebo výstupem. Analogová zem se obvykle označuje symbolem na obrázku 2 .

Obrázek 2 Schematický symbol analogové země.

Země šasi je název pro připojení bezpečnostního vodiče od střídavé sítě ke skříni výrobku. Tento název dostala proto, že skříň výrobku se často nazývá šasi. Tento vodič je obvykle zelený vodič v prodlužovacím kabelu, v třívodičovém síťovém připojení k výrobku nebo třetí kolík na konektoru střídavého proudu (ten kulatý). Pokud tento zelený vodič sledujete skrz budovu, nakonec se připojí k měděnému kolíku zaraženému do země. Účelem tohoto připojení je chránit obsluhu výrobku v případě, že se jeden ze síťových vodičů omylem spojí s pouzdrem nebo „šasi“ výrobku. Jedná se tedy pouze o bezpečnostní funkci.

Obrázek 3 Schematický symbol uzemnění „šasi“.

Někdy inženýři zabývající se elektromagnetickým rušením chybně označují toto uzemnění „šasi“ (obrázek 3 ) jako místo, které má nějakou funkci při zadržování elektromagnetického rušení. Toto tvrzení se nikdy nezakládalo a nikdy nebude zakládat na skutečnosti, protože v této části elektronické konstrukce nemá žádnou roli.

Bezpečnostní zem je další název používaný pro popis země šasi. Zem je jiný název pro bezpečnostní uzemnění.

Všechny tyto názvy vedou k otázce, jak propojit vaše „zemní“ obvody (zpětné cesty) dohromady nebo zda by měly být vůbec propojeny, a pokud ano, proč. Tato otázka obvykle vyvstává buď ohledně toho, jak chránit citlivé analogové signály před vnějšími zdroji šumu, nebo jak omezit elektromagnetické rušení.

Zpracování analogových signálů
Podíváme-li se nejprve na problém analogových signálů, je třeba chránit analogové signály před zdroji vnějšího šumu, které by mohly zhoršit výkon signálu. Na obrázku 4 je příklad typického smíšeného analogového a digitálního integrovaného obvodu, který ukazuje obě strany obvodu s analogovým zemnicím kolíkem i digitálním zemnicím kolíkem. Je reprezentativní pro většinu problémů při návrhu smíšené elektroniky.

Červené zvýraznění označuje to, co se nazývá „analogová rozhodovací smyčka“. Jedná se o obvod, který musí být chráněn před vnějšími zdroji šumu, aby obvod správně fungoval. Integrovaný obvod má analogový „zemnicí“ kolík a digitální „zemnicí“ kolík. Musíte pochopit, jak tyto kolíky použít, abyste dospěli ke správnému návrhu desky plošných spojů. Digitální stranou tohoto IC se smíšeným signálem protékají přes jeho zemnicí vodič přechodové proudy. Tyto proudy jsou spojeny s vnitřním digitálním zpracováním analogového signálu a řídí výstupní přenosové vedení IC. Pokud by se jednalo o 8bitový A/D převodník v logickém systému s logickými úrovněmi 2,5 V, mohly by přechodové proudy tekoucí touto cestou dosahovat až 200 mA. Tento ?I nebo rychle se měnící proud protékající indukčností zemnícího vedení může mezi zemí na desce plošných spojů a zemí na desce plošných spojů vytvořit přechodné napětí až 100 mV. To je pro logický obvod přijatelný přechodový jev.

Pokud je diskutovaným obvodem 12bitový A/D převodník, analogová strana obvodu má za úkol rozlišit napěťové rozdíly 0,5 mV z celkového výkyvu signálu 2 V. Pokud je z integrovaného obvodu vyvedena pouze jedna zemní cesta, překrýval by se přechodový jev 100 mV při digitálním spínání s analogovým signálem, čímž by se obvod stal nepoužitelným. Proto má analogová strana integrovaného obvodu samostatnou zemní cestu ven z pouzdra.

Obrázek 4 je typický pro obvody, které mají aplikační poznámky nebo jiné pokyny, které specifikují analogovou zemní rovinu a digitální zemní rovinu nebo rozdělení zemní roviny pod součástkou. Provedení kterékoli z těchto věcí odvádí pozornost od skutečného technického problému ochrany analogové signálové smyčky před vnějším šumem. (Poznámka: Směr šipky proudového toku na obr. 4 je směr toku elektronů, které tvoří proudový tok.)

Obrázek 4 Analogově-digitální převodník má obvykle oddělené vývody pro analogové a signálové návraty.

Rozdělení zemnicí roviny pod součástkou vytváří nežádoucí vedlejší efekt. Signály, které musí přecházet z jedné strany řezu na druhou, nemají cestu pro zpětný proud. Tento proud si najde jinou cestu k návratu ke svému zdroji, což může vést k problémům s integritou signálu nebo EMI.

Šum se do analogové signálové smyčky dostává dvěma způsoby. Prvním je vazba na obě strany smyčky kapacitní nebo magnetickou vazbou od sousedního signálu, který se pohybuje příliš blízko (obvykle tomu říkáme přeslech). Přeslech může být generován elektrickou složkou EM pole (kapacitní přeslech) nebo magnetickou složkou EM pole (induktivní přeslech). Která forma existuje, závisí na konfiguraci dvou vodičů, které jsou vedle sebe.“

Druhým způsobem, jak může šum ovlivnit analogové obvody, je umožnění, aby „zemní“ strana cesty byla sdílena jiným signálem. K tomu obvykle dochází, když je spojení mezi analogovým zdrojem a analogovým „zemnicím“ kolíkem zařízení provedeno do zemnicí roviny v určité vzdálenosti od součástky. Ve většině případů se oba tyto problémy řeší použitím stíněného kabelu, jehož dvě spojení jsou provedena na svorkách integrovaného obvodu, přičemž jedno spojení je stínění, které se připojuje ke svorce „analogové země“ zařízení, a střední vodič, který se připojuje ke vstupní straně analogového zařízení. Příklady tohoto typu zapojení jsou:

• Zapojení mezi čtecí hlavou diskové mechaniky a předzesilovačem
• Zapojení mezi tenzometrem a vstupním zesilovačem
• Zapojení mezi jehlou fonografu a vstupním předzesilovačem (to znají jen staří lidé!)

Příklad na obrázku 4 se týká systému, kde je analogový zdroj „mimo desku“. Pokud jsou zdroj i zátěž na stejné desce plošných spojů, je správným způsobem, jak se vypořádat s „analogovou smyčkou“, podívat se, kde se nachází, a zvolit takové uspořádání, které ochrání smyčku před přeslechy a napěťovými gradienty v „zemní“ části obvodu, které by ohrozily výkon. Téměř ve všech případech se tento problém řeší volbou pečlivého umístění součástek na povrchu desky plošných spojů tak, aby oblastí, kde se nachází analogová rozhodovací smyčka, neprotékaly proudy z jiných obvodů. Příkladem tohoto typu obvodů jsou spoje mezi zesilovacími stupni v rádiu nebo stereofonním systému

Pracování s EMI
Občas považuji za užitečné citovat inženýra Bruce Archambeaulta, když se v souvislosti s EMI objeví téma země: „Země je místo pro brambory a mrkev.“

Důvodem, proč Bruce i já toto tvrzení uvádíme, je, že používání slova „země“ v diskusích o EMI nemá žádnou hodnotu. Ve skutečnosti odvádí naši pozornost od hlavního úkolu, kterým je zadržení vysokofrekvenční energie, která by mohla uniknout z našich výrobků a způsobit poruchu EMI.

Řečeno jinak, žádná z věcí uvedených jako země na začátku tohoto článku nemá žádný vliv na zadržení EMI . Položky, které jsou důležité pro omezení EMI, jsou stínění na kabelech a Faradayovy klece obklopující výrobky, ale ty jsou předmětem jiného článku.

Existuje velmi velké množství dezinformací v podobě aplikačních poznámek a pokynů ohledně toho, co je to uzemnění a jak ho používat. Některé z těchto aplikačních poznámek uvádějí, že zemnící rovina by měla být rozdělena na analogovou a digitální stranu a obě strany propojeny pouze v jednom bodě. Jiné navrhují, aby existovaly dvě diskrétně odlišné roviny, jedna analogová a druhá digitální. Způsob připojení těchto dvou rovin se v jednotlivých aplikačních poznámkách liší. Moje zkušenost s těmito poznámkami je taková, že se zabývají problémem, jehož existence nebyla prokázána. Nejhorší na takových poznámkách je, že neřeší skutečný problém: ochranu rozhodovací smyčky před vnějšími zdroji šumu.

Při výběru způsobu návrhu zpětné sítě zvažte následující otázky.

• Existuje skutečný problém?
• Řeší navrhované řešení problém?
• Vytváří navrhované řešení nový problém, například problém s elektromagnetickým rušením?

Pokud na tyto tři otázky nejsou platné odpovědi, je pravděpodobné, že řešení je prostě vymyšlené a dost možná vytvoří problém, například problém s elektromagnetickým rušením, který by jinak neexistoval. Mnoho problémů s EMI, které jsem řešil, mělo svůj původ v rozdělených zemních rovinách, se kterými jsem se často setkával u malých diskových mechanik na konci 90. let a na začátku nového tisíciletí.

Elektronické systémy mají sítě, kterým říkáme zem, které mají jak střídavý, tak stejnosměrný gradient napětí způsobený proudy, které v nich tečou. Nelze je tedy považovat za ekvipotenciální s magickými vlastnostmi s ohledem na EMI.

Deska plošných spojů nepotřebuje analogovou zemnicí rovinu a digitální zemnicí rovinu, protože jejich existence nezaručuje správnou funkci analogové části výrobku. Místo toho by měla mít pouze jednu zemní rovinu, která by měla být souvislá v celé desce plošných spojů, a následně pečlivě navrženou rozhodovací smyčku.

Rozdělení zemní roviny ničí její integritu jako ultranízkoimpedančního spojení mezi všemi součástkami v obvodu a nikdy byste ji neměli navrhovat do desky. Zeptal jsem se více než 9 000 studentů ve svých hodinách signálové integrace, zda mají příklady, kdy rozdělení zemní roviny zlepšilo výkon. Do dnešního dne žádný z nich nebyl schopen takový příklad uvést, stejně jako žádný z mých kolegů inženýrů. Jak poznamenal Kenneth Wyatt: „Nejnovější názory (Todd Hubing, Clemson University) však říkají, že nejlepší je zachovat návratové roviny jako jedinou rovinu a dávat pozor na vedení signálových stop (s ohledem na odpovídající zpětné proudy), aby nepřekračovaly hranici A/D.“

V těch vzácných případech, kdy musí být návratová rovina rozdělena pro účely vysokonapěťové izolace, budou signály, které musí rozdělení překračovat, muset tak činit takovým způsobem, aby nebyla nutná souvislá cesta zpětného proudu. Často se zde používají transformátory, optoizolátory a jiné typy oddělovačů.

Jak již bylo uvedeno, uzemnění „šasi“ je pouze bezpečnostní prvek a nehraje žádnou roli v elektronické funkci obvodů ani v jejich EMI charakteristikách. Není tedy nutné připojovat logické uzemnění k uzemnění „Chassis“ a v některých případech to ani není dovoleno.

Možná jedním z nejtěžších úkolů, kterým musí konstruktér čelit, je roztřídit všechny nesprávné informace v tisku a na internetu, které jsou nepřesné nebo často jednoduše vymyšlené někým, kdo neprovedl potřebný průzkum, aby se ujistil, že poskytnuté rady jsou technicky platné.

Doufám, že vám tento článek posloužil jako dobrý výchozí bod pro demystifikaci věcí, které se v návrhu desek plošných spojů a systémů chybně označují jako „zem“.

• Mýtus zvaný „zem“
• Iluze o zemi: Nedovol, aby se pro tebe vrátila
• Přechod přes řeku:
• Přerušení zpětné cesty a EMI: Pochopte vztah
• EMI a emise: pravidla, předpisy a možnosti
• Zemnění a stínění:
• EMI a emise: pravidla, předpisy a možnosti
• Odpovědi na otázky týkající se EMC (část 7)
• Úspěšné uzemnění DPS s čipy se smíšeným signálem – část 1: Principy toku proudu
• Deset osvědčených postupů při navrhování desek plošných spojů
• Otázky na desky PC pro zmírnění EMC
• Pochopení signálů ve společném módu
• Vazba signálů na deskách plošných spojů může být problém
• Zápisník konstruktéra: Izolace signálů