Ingeniører bruger ordet “jord” i alle elektroniske kredsløb til at betegne en del af et system eller en struktur, der er “neutral” eller har nulpotentiale. Desværre tænker vi ofte på kredsløb og systemer, især dem med både analoge og digitale signaler, som om de har mere end én jord. Dette begreb gav for nylig anledning til en diskussion på et onlinefællesskab for signalintegritet, hvilket fik os til at skrive denne artikel. Ingeniører og PCB-designere nævner ofte forskellige typer af jordforbindelser og metoder til at forbinde dem sammen. Hvordan disse “jordforbindelser”, som i virkeligheden er returveje, forbindes, kan påvirke et systems ydeevne betydeligt.

De typer af grunde, der nævnes i denne diskussion, omfatter bl.a:

• Logisk jord
• Analog jord
• Chassisjord
• Sikkerhedsjord
• Jordjord

Metoder, der foreslås til at forbinde disse forskellige “jordforbindelser”, dækker en bred vifte af muligheder, herunder:

• Forbindelse af dem kun i ét punkt.
• Skæring af jordpladen under en komponent med blandede signaler
• Forbindelse af dem med kondensatorer.
• Segmentering af jordpladen i et printkort, således at der kun er en smal forbindelse ét sted mellem den analoge og den digitale side af designet.
• Selvstændig adskillelse af de analoge og digitale jordforbindelser.

Figur 1 Digital logikjordsymbol, der ses i de fleste diagrammer.

Disse tilsyneladende modstridende metoder til håndtering af jordforbindelser kan være lidt forvirrende. Vi starter med at afklare, hvad jord er, hvilket skulle mindske forvirringen.

Det første spørgsmål, du måske stiller, er: Hvordan kan alle de ovenstående elementer være ground? Svaret er enkelt: Ingen af dem er det. Jord er det eneste sted i et elektronisk system, der er et referencepunkt, hvorfra vi måler spændinger.

Hvis det er den eneste definition, hvad er så disse andre ting, der kaldes jord?

Digital logikjord er den “reference”-terminal på en strømforsyning til din digitale logik. For de fleste digitale logiksystemer er det den negative terminal på logikstrømforsyningen, som normalt er vist med symbolet i figur 1 .

Analog jord er referenceterminalen på den forsyning, der forsyner et analogt kredsløb med strøm. Det er der, hvor den ene side af en analog signalkilde er bundet. Den anden side af signalkilden er bundet til den analoge indgang eller udgang. Analog jord betegnes normalt med symbolet i figur 2 .

Figur 2 Analog jord skematisk symbol.

Chassisjord er betegnelsen for forbindelsen af sikkerhedsledningen fra vekselstrømsnettet til et produkts kabinet. Den har fået dette navn, fordi et produkts kabinet ofte kaldes chassiset. Denne ledning er normalt den grønne ledning i en forlængerledning, i den tre-ledede netforbindelse til et produkt eller den tredje pin på et vekselstrømstik (den runde). Hvis du sporer denne grønne ledning gennem en bygning, vil den til sidst blive forbundet med en kobberpæl, der er stukket ned i jorden. Formålet med denne forbindelse er at beskytte brugeren af produktet i tilfælde af, at en af netledningerne ved et uheld får forbindelse til produktets kabinet eller “chassis”. Der er således tale om en ren sikkerhedsfunktion.

Figur 3 “Chassis”-jord skematisk symbol.

Sommetider henviser EMI-ingeniører fejlagtigt til denne “Chassisjord” (figur 3 ) som et sted, der har en vis funktion i forbindelse med inddæmning af EMI. Dette udsagn har aldrig været eller vil aldrig være baseret på fakta, fordi det ikke har nogen rolle i denne del af et elektronisk design.

Sikkerhedsjord er et andet navn, der bruges til at beskrive chassisjord. Jordjord er et andet navn for sikkerhedsjord.

Alle disse navne fører til spørgsmålet om, hvordan du skal forbinde dine “jord”-kredsløb (returveje) sammen, eller om de overhovedet skal bindes sammen, og i givet fald hvorfor. Dette spørgsmål opstår normalt enten om, hvordan man beskytter følsomme analoge signaler mod eksterne støjkilder, eller hvordan man inddæmmer EMI.

Håndtering af analoge signaler
Hvis man tager det analoge signalproblem først, skal man beskytte analoge signaler mod eksterne støjkilder, der kan forringe signalets ydeevne. Figur 4 er et eksempel på et typisk blandet analogt og digitalt IC, der viser de to sider af kredsløbet med både en analog jordstift og en digital jordstift. Det er repræsentativt for de fleste af problemerne ved design af elektronik med blandede signaler.

Den røde fremhævning angiver det, der kaldes “den analoge beslutningstagningsloop”. Dette er det kredsløb, der skal beskyttes mod eksterne støjkilder, for at kredsløbet kan fungere korrekt. IC’en har en analog “jord”-stift og en digital “jord”-stift. Du skal forstå, hvordan du skal anvende disse pins for at nå frem til et korrekt PCB-design. Den digitale side af dette IC med blandede signaler har transiente strømme, der flyder gennem dets jordledning. Disse strømme er forbundet med den interne digitale behandling af det analoge signal, og de driver IC’ets udgangstransmissionslinjer. Hvis der var tale om en 8-bit A/D-konverter i et logisk system med logiske niveauer på 2,5 V, kunne de transiente strømme, der flyder i denne sti, være helt op til 200 mA. Denne ?I-strøm eller hurtigt skiftende strøm, der flyder gennem jordledningsinduktansen, kan udvikle spændingstransienter på op til 100 mV mellem jord på printkortet og jord på matricen. Dette er en acceptabel transient for det logiske kredsløb.

Hvis det pågældende kredsløb er en 12-bit A/D-konverter, skal den analoge side af kredsløbet løse spændingsforskelle på 0,5 mV ud af et samlet signaludslag på 2 V. Hvis der kun er én jordvej ud af IC’et, vil den 100 mV digitale switching-transient blive overlejret på det analoge signal, hvilket gør kredsløbet ubrugeligt. Det er derfor, at den analoge side af IC’et har en separat jordvej ud af pakken.

Figur 4 er typisk for kredsløb, der har anvendelsesnoter eller andre retningslinjer, der specificerer et analogt jordplan og et digitalt jordplan eller opdeling af jordplanet under komponenten. Hvis man gør en af disse ting, afholder man sig fra det egentlige tekniske problem med at beskytte den analoge signalløjle mod ekstern støj. (Bemærk: Retningen af pilen til strømmen i fig. 4 er strømmen af de elektroner, der udgør strømmen.)

Figur 4 En analog til digital konverter har typisk separate pins til analog og signalretur.

Splitning af jordplanet under komponenten skaber en uønsket sideeffekt. Signaler, der skal krydse fra den ene side af snittet til den anden, har ikke en vej for deres returstrøm. Denne strøm vil finde en anden måde at vende tilbage til sin kilde på, hvilket kan føre til problemer med signalintegritet eller EMI.

Støj kommer ind i den analoge signalløkke på to måder. Den første er ved kobling ind i begge sider af loopet ved kapacitiv eller magnetisk kobling fra et tilstødende signal, der bevæger sig for tæt på (vi kalder normalt dette crosstalk). Crosstalk kan genereres af den elektriske komponent af et EM-felt (kapacitiv crosstalk) eller af den magnetiske komponent af EM-feltet (induktiv crosstalk). Hvilken form der findes, afhænger af konfigurationen af de to ledere, der ligger ved siden af hinanden.)

Den anden måde, hvorpå støj kan påvirke analoge kredsløb, er ved at lade “jord”-siden af stien blive delt af et andet signal. Dette sker normalt, når forbindelsen mellem den analoge kilde og den analoge “jord”-stift på enheden er lavet til jordpladen et stykke væk fra delen. I de fleste tilfælde løses begge disse problemer ved at anvende et afskærmet kabel med to forbindelser ved IC’ens terminaler, hvor den ene forbindelse er afskærmningen, der forbindes med enhedens “analoge jord”-terminal, og midterlederen, der forbindes med indgangssiden af den analoge enhed. Eksempler på denne type kredsløb er:

• Forbindelsen mellem læsehovedet på et diskdrev og forforstærkeren
• Forbindelsen mellem et strain gage og indgangsforstærkeren
• Forbindelsen mellem en fonografnål og indgangsforstærkeren (kun gamle folk kender til dette!)

Eksemplet i figur 4 omhandler et system, hvor den analoge kilde er “off board”. Når både kilde og belastning er på samme printplade, er den korrekte måde at håndtere “den analoge sløjfe” på at se på, hvor den befinder sig, og træffe layoutvalg, der beskytter sløjfen mod overspænding og spændingsgradienter i “jord”-delen af kredsløbet, som ville gå ud over ydeevnen. I næsten alle tilfælde løses dette problem ved at vælge at placere komponenterne omhyggeligt på printpladens overflade, så der ikke strømmer fra andre kredsløb gennem det område, hvor den analoge beslutningstagningsloop er placeret. Eksempler på denne type kredsløb er forbindelserne mellem forstærkertrinnene i en radio eller et stereoanlæg

Håndtering af EMI
Sommetider finder jeg det nyttigt at citere EMI-ingeniør Bruce Archambeault, når emnet jord kommer op i forbindelse med EMI: “Jord er et sted for kartofler og gulerødder.”

Grunden til, at både Bruce og jeg fremsætter dette udsagn, er, at det ikke har nogen værdi at bruge ordet “jord” i diskussioner om EMI. Faktisk distraherer det os fra opgaven, som er at inddæmme RF-energi, der kan slippe ud af vores produkter og skabe en EMI-fejl.

Sagt på en anden måde har ingen af de ting, der er nævnt som grunde i begyndelsen af denne artikel, nogen betydning for EMI-inddæmning . De ting, der er vigtige for EMI-inddæmning, er afskærmninger på kabler og Faraday-bure omkring produkterne, men det er emnerne i en anden artikel.

Der findes en meget stor mængde misinformation i form af anvendelsesnoter og retningslinjer med hensyn til, hvad jord er, og hvordan den skal bruges. Nogle af disse anvendelsesnoter angiver, at jordpladen skal opdeles i en analog side og en digital side, og at de to sider kun skal være forbundet i ét punkt. Andre foreslår, at der skal være to diskret forskellige planer, den ene analog og den anden digital. Hvordan disse to planer skal forbindes, varierer med hvert enkelt anvendelsesnotat. Min erfaring med disse noter er, at de behandler et problem, hvis eksistens ikke er blevet bevist. Det værste ved sådanne noter er, at de ikke behandler det egentlige problem, nemlig at beskytte beslutningssløjfen mod støjkilder udefra.

Tænk på følgende spørgsmål, når du vælger, hvordan du skal designe et returnetværk.

• Er der et reelt problem?
• Løser den foreslåede løsning problemet?
• Skaber den foreslåede løsning et nyt problem, f.eks. et EMI-problem?

Hvis disse tre spørgsmål ikke har gyldige svar, er der stor sandsynlighed for, at løsningen blot er opdigtet og meget vel kan skabe et problem, f.eks. et EMI-problem, som ellers ikke ville eksistere. Mange EMI-problemer, som jeg har løst, havde haft deres oprindelse i opdelte jordplader, som jeg ofte stødte på i små diskdrev i slutningen af 1990’erne og begyndelsen af 2000’erne.

Elektroniske systemer har netværk, som vi kalder jord, der har både veksel- og jævnspændingsgradienter forårsaget af de strømme, der løber i dem. Derfor kan de ikke betragtes som equipotentielle med magiske egenskaber med hensyn til EMI.

Et printkort har ikke brug for et analogt jordplan og et digitalt jordplan, fordi det ikke garanterer korrekt drift af produktets analoge del at have dem. I stedet bør det kun have ét jordplan, der skal være gennemgående i hele printpladen, efterfulgt af en omhyggelig udformning af beslutningssløjfen.

Splitning af et jordplan ødelægger dets integritet som en ultralav impedansforbindelse mellem alle komponenterne i et kredsløb, og du bør aldrig designe det i et printkort. Jeg har spurgt mere end 9.000 studerende i mine signalintegritetskurser, om de har eksempler på, at opdeling af en jordplade har forbedret ydeevnen. Indtil nu har ingen af dem været i stand til at finde et eksempel, og det samme gælder for ingen af mine ingeniørkolleger. Som Kenneth Wyatt bemærkede: “Den seneste tankegang er imidlertid (Todd Hubing, Clemson University), at det er bedst at bevare returplanerne som et enkelt plan og være omhyggelig med at føre signalsporene (under hensyntagen til de tilsvarende returstrømme), så de ikke krydser A/D-grænsen.”

I de sjældne tilfælde, hvor returplanet skal opdeles af hensyn til højspændingsisolation, skal signaler, der skal krydse opdelingen, gøre det på en sådan måde, at behovet for en kontinuerlig returstrømsvej ikke er påkrævet. Transformatorer, opto-isolatorer og andre typer isolatorer anvendes ofte her.

Som tidligere nævnt er “Chassis”-jord kun en sikkerhedsfunktion og spiller ingen rolle for kredsløbenes elektroniske funktion eller deres EMI-ydeevne. Der er således ingen grund til at forbinde logikjord med “Chassis”-jord, og i nogle tilfælde er det ikke tilladt.

Måske er en af de sværeste udfordringer, som en konstruktør står over for, at sortere blandt alle de misinformationer i trykt og online, der er unøjagtige eller ofte blot er opdigtet af en person, som ikke har foretaget den nødvendige research for at sikre, at de givne råd er teknisk gyldige.

Jeg håber, at du fandt denne artikel som et godt udgangspunkt for afmystificering af de ting, der fejlagtigt omtales som “jord” i PCB- og systemdesign.

• Myten kaldet “jord”
• Den jordillusion: Lad den ikke komme tilbage og hente dig
• Over floden: Faren ved at krydse et split-plane-gap med et højhastighedssignal
• Returvejskoblinger og EMI: Forstå sammenhængen
• EMI og emissioner: regler, bestemmelser og muligheder
• Grounding og afskærmning: Ingen størrelse passer til alle
• EMI og emissioner: regler, bestemmelser og muligheder
• EMC-spørgsmål besvaret (del 7)
• Succesfuld PCB-jording med chips med blandede signaler – del 1: Principper for strømgennemstrømning
• Ten bedste praksis for PCB-design
• Spørgsmål om PC boards til EMC-afbødning
• Forståelse af common-mode-signaler
• PCB-signalkobling kan være et problem
• Designer’s Notebook: Signalisolering