Ingenieure verwenden das Wort „Erde“ in jedem elektronischen Schaltkreis, um einen Teil eines Systems oder einer Struktur zu bezeichnen, der „neutral“ oder null Potential ist. Leider denken wir oft, dass Schaltungen und Systeme, insbesondere solche mit analogen und digitalen Signalen, mehr als eine Masse haben. Dieses Konzept gab kürzlich Anlass zu einer Diskussion in einer Online-Community für Signalintegrität, die uns dazu veranlasste, diesen Artikel zu schreiben. Ingenieure und Leiterplattendesigner erwähnen oft verschiedene Arten von Erdungen und Methoden, sie miteinander zu verbinden. Die Art und Weise, wie diese „Erdungen“, die eigentlich Rückleitungen sind, verbunden werden, kann die Leistung eines Systems erheblich beeinflussen.

Zu den in dieser Diskussion erwähnten Arten von Erdungen gehören:

• Logikerde
• Analogerde
• Gehäusemasse
• Sicherheitserde
• Erde

Die für den Anschluss dieser verschiedenen „Massen“ vorgeschlagenen Methoden decken eine breite Palette von Möglichkeiten ab, darunter:

• Verbindung an nur einem Punkt.
• Die Masseebene unter einer Mixed-Signal-Komponente durchtrennen
• Sie mit Kondensatoren verbinden.
• Die Masseebene in einer Leiterplatte so aufteilen, dass es nur eine schmale Verbindung an einer Stelle zwischen der analogen und der digitalen Seite des Designs gibt.
• Trennen der analogen und digitalen Masse.

Abbildung 1 Symbol für die digitale Logikmasse, das in den meisten Schaltplänen zu sehen ist.

Diese scheinbar widersprüchlichen Methoden für den Umgang mit Masse können etwas verwirrend sein. Wir beginnen damit, zu klären, was Masse ist, was die Verwirrung verringern sollte.

Die erste Frage, die Sie sich stellen könnten, ist: Wie können all die oben genannten Gegenstände Boden sein? Die Antwort ist einfach: Keiner von ihnen ist es. Masse ist der einzige Ort in einem elektronischen System, der ein Referenzpunkt ist, von dem aus wir Spannungen messen.

Wenn das die einzige Definition ist, was sind dann die anderen Dinge, die als Masse bezeichnet werden?

Die digitale Logikmasse ist der „Referenz“-Anschluss einer Stromversorgung für Ihre digitale Logik. Bei den meisten digitalen Logiksystemen ist es der Minuspol der Logikstromversorgung, der in der Regel mit dem Symbol in Abbildung 1 dargestellt ist.

Analoge Masse ist der Referenzanschluss der Stromversorgung einer analogen Schaltung. An ihr ist die eine Seite einer analogen Signalquelle angeschlossen. Die andere Seite der Signalquelle ist mit dem analogen Eingang oder Ausgang verbunden. Die analoge Masse wird gewöhnlich mit dem Symbol in Abbildung 2 bezeichnet.

Abbildung 2 Schematisches Symbol für analoge Masse.

Gehäusemasse ist die Bezeichnung für die Verbindung des Sicherheitsdrahtes vom Wechselstromnetz zum Gehäuse eines Produkts. Sie wird so genannt, weil das Gehäuse eines Produkts oft als Chassis bezeichnet wird. Bei diesem Draht handelt es sich in der Regel um den grünen Draht in einem Verlängerungskabel, in der dreipoligen Netzverbindung zu einem Produkt oder um den dritten Stift eines Wechselstromsteckers (den runden). Wenn Sie diesen grünen Draht durch ein Gebäude verfolgen, wird er schließlich mit einem in die Erde getriebenen Kupferpfahl verbunden. Der Zweck dieser Verbindung besteht darin, den Benutzer des Produkts zu schützen, falls eines der Netzkabel versehentlich eine Verbindung zum Gehäuse oder „Chassis“ des Produkts herstellt. Es handelt sich also um eine reine Sicherheitsfunktion.

Abbildung 3 Schematisches Erdungssymbol „Gehäuse“.

Gelegentlich bezeichnen EMI-Ingenieure diese „Gehäuseerdung“ (Abbildung 3 ) fälschlicherweise als einen Ort, der eine Funktion bei der Eindämmung von EMI hat. Diese Aussage beruht weder auf Tatsachen noch wird sie jemals auf Tatsachen beruhen, da sie in diesem Teil eines elektronischen Designs keine Rolle spielt.

Sicherheitsmasse ist ein anderer Name, der für die Gehäusemasse verwendet wird. Erdung ist eine andere Bezeichnung für die Sicherheitserdung.

Alle diese Bezeichnungen führen zu der Frage, wie Sie Ihre „Erdungs“-Kreise (Rückleitungen) miteinander verbinden oder ob sie überhaupt miteinander verbunden werden sollten, und wenn ja, warum. Diese Frage stellt sich in der Regel entweder zum Schutz empfindlicher Analogsignale vor externen Rauschquellen oder zur Eindämmung von EMI.

Handhabung von Analogsignalen
Bei dem Analogsignalproblem müssen Sie Analogsignale vor externen Rauschquellen schützen, die die Signalleistung beeinträchtigen könnten. Abbildung 4 ist ein Beispiel für einen typischen gemischten analogen und digitalen IC, der die beiden Seiten der Schaltung mit einem analogen und einem digitalen Erdungsstift zeigt. Es ist repräsentativ für die meisten Probleme beim Entwurf von Mixed-Signal-Elektronik.

Die rote Markierung zeigt die so genannte „analoge Entscheidungsschleife“. Dies ist die Schaltung, die vor äußeren Störquellen geschützt werden muss, damit die Schaltung ordnungsgemäß funktioniert. Der IC hat einen analogen „Masse“-Pin und einen digitalen „Masse“-Pin. Sie müssen wissen, wie diese Pins zu verwenden sind, um ein geeignetes PCB-Design zu erhalten. Auf der digitalen Seite dieses Mixed-Signal-ICs fließen transiente Ströme durch seine Masseleitung. Diese Ströme sind mit der internen digitalen Verarbeitung des analogen Signals verbunden und treiben die Ausgangsübertragungsleitungen des ICs an. Handelt es sich um einen 8-Bit-A/D-Wandler in einem Logiksystem mit 2,5-V-Logikpegeln, könnten die in diesem Pfad fließenden Transientenströme bis zu 200 mA betragen. Dieser ?I oder der sich schnell ändernde Strom, der durch die Erdungsleitungsinduktivität fließt, kann zu Spannungstransienten von bis zu 100 mV zwischen der Masse auf der Leiterplatte und der Masse auf dem Chip führen. Dies ist ein akzeptabler Transient für die Logikschaltung.

Wenn es sich bei der fraglichen Schaltung um einen 12-Bit-A/D-Wandler handelt, muss die analoge Seite der Schaltung Spannungsdifferenzen von 0,5 mV bei einem Gesamtsignalhub von 2 V auflösen. Wenn es nur einen Massepfad aus dem IC heraus gibt, würde der digitale Schalttransient von 100 mV das analoge Signal überlagern und die Schaltung unbrauchbar machen. Aus diesem Grund hat die analoge Seite des IC einen separaten Massepfad aus dem Gehäuse.

Abbildung 4 ist typisch für Schaltungen, für die es Anwendungshinweise oder andere Richtlinien gibt, die eine analoge und eine digitale Massefläche oder eine Aufteilung der Massefläche unter dem Bauteil vorschreiben. Beides lenkt vom eigentlichen technischen Problem des Schutzes der analogen Signalschleife vor externen Störungen ab. (Hinweis: Die Richtung des Stromflusspfeils in Abb. 4 ist der Fluss der Elektronen, die den Stromfluss bilden.)

Abbildung 4 Ein Analog-Digital-Wandler hat in der Regel getrennte Pins für analoge und digitale Rückleitungen.

Die Aufteilung der Massefläche unter dem Bauteil hat einen unerwünschten Nebeneffekt. Signale, die von einer Seite des Schnitts auf die andere gelangen müssen, haben keinen Pfad für ihren Rückstrom. Dieser Strom findet einen anderen Weg, um zu seiner Quelle zurückzukehren, was zu Problemen mit der Signalintegrität oder EMI führen kann.

Rauschen gelangt auf zwei Arten in die analoge Signalschleife. Die erste ist die Einkopplung in eine der beiden Seiten der Schleife durch kapazitive oder magnetische Kopplung von einem benachbarten Signal, das zu nahe an der Schleife vorbeifließt (wir nennen dies gewöhnlich Nebensprechen). Das Übersprechen kann durch die elektrische Komponente eines EM-Feldes (kapazitives Übersprechen) oder durch die magnetische Komponente des EM-Feldes (induktives Übersprechen) verursacht werden. Welche Form vorliegt, hängt von der Konfiguration der beiden nebeneinander liegenden Leiter ab.)

Die zweite Möglichkeit, wie sich Rauschen auf analoge Schaltungen auswirken kann, besteht darin, dass die „Masseseite“ des Pfades von einem anderen Signal mitbenutzt wird. Dies geschieht in der Regel, wenn die Verbindung zwischen der analogen Quelle und dem analogen „Masse“-Pin des Geräts mit der Massefläche in einiger Entfernung vom Bauteil hergestellt wird. In den meisten Fällen werden diese beiden Probleme durch die Verwendung eines abgeschirmten Kabels gelöst, bei dem die beiden Anschlüsse an den Klemmen des ICs hergestellt werden, wobei ein Anschluss die Abschirmung ist, die mit dem „analogen Masse“-Anschluss des Geräts verbunden ist, und der Mittelleiter mit der Eingangsseite des analogen Geräts verbunden ist. Beispiele für diesen Schaltungstyp sind:

• Die Verbindung zwischen dem Lesekopf eines Plattenlaufwerks und dem Vorverstärker
• Die Verbindung zwischen einem Dehnungsmessstreifen und dem Eingangsverstärker
• Die Verbindung zwischen einer Plattenspielernadel und dem Eingangsvorverstärker (nur alte Leute kennen das!)

Das Beispiel in Abbildung 4 behandelt ein System, bei dem die analoge Quelle „off board“ ist. Wenn sich sowohl die Quelle als auch die Last auf derselben Leiterplatte befinden, besteht die richtige Art und Weise, mit der „analogen Schleife“ umzugehen, darin, sich anzusehen, wo sie sich befindet, und Layout-Entscheidungen zu treffen, die die Schleife vor Übersprechen und Spannungsgradienten im „Masseteil“ der Schaltung schützen, die die Leistung beeinträchtigen würden. In fast allen Fällen lässt sich dieses Problem durch eine sorgfältige Platzierung der Komponenten auf der Leiterplattenoberfläche lösen, so dass keine Ströme von anderen Schaltungen durch den Bereich fließen, in dem sich die analoge Entscheidungsschleife befindet. Beispiele für diese Art von Schaltungen sind die Verbindungen zwischen Verstärkerstufen in einem Radio oder einer Stereoanlage

Handhabung von EMI
Gelegentlich finde ich es nützlich, den EMI-Ingenieur Bruce Archambeault zu zitieren, wenn das Thema Masse im Zusammenhang mit EMI aufkommt: „Masse ist ein Ort für Kartoffeln und Karotten.“

Der Grund, warum sowohl Bruce als auch ich diese Aussage machen, ist, dass die Verwendung des Wortes „Masse“ in Diskussionen über EMI keinen Wert hat. Tatsächlich lenkt es uns von der eigentlichen Aufgabe ab, die darin besteht, HF-Energie einzudämmen, die aus unseren Produkten entweichen und EMI-Fehler verursachen könnte.

Mit anderen Worten: Keines der Dinge, die zu Beginn dieses Artikels als Masse aufgeführt sind, hat irgendeinen Einfluss auf die EMI-Eindämmung. Die Dinge, die für die EMI-Eindämmung wichtig sind, sind Abschirmungen auf Kabeln und Faraday-Käfige, die die Produkte umgeben, aber das sind die Themen eines anderen Artikels.

Es gibt eine große Menge an Fehlinformationen in Form von Anwendungshinweisen und Richtlinien in Bezug darauf, was Masse ist und wie man sie verwendet. In einigen dieser Anwendungshinweise wird darauf hingewiesen, dass die Massefläche in eine analoge und eine digitale Seite unterteilt werden sollte und die beiden Seiten nur an einem Punkt verbunden werden sollten. Andere schlagen vor, dass es zwei diskret unterschiedliche Ebenen gibt, eine analoge und eine digitale. Wie diese beiden Ebenen verbunden werden sollen, ist in den einzelnen Anwendungshinweisen unterschiedlich geregelt. Meine Erfahrung mit diesen Hinweisen ist, dass sie ein Problem behandeln, dessen Existenz nicht bewiesen ist. Das Schlimmste an solchen Hinweisen ist, dass sie sich nicht mit dem eigentlichen Problem befassen: dem Schutz der Entscheidungsschleife vor externen Rauschquellen.

Betrachten Sie die folgenden Fragen, wenn Sie entscheiden, wie Sie ein Rückleitungsnetzwerk entwerfen wollen.

• Ist das Problem wirklich vorhanden?
• Löst die vorgeschlagene Lösung das Problem?
• Schafft die vorgeschlagene Lösung ein neues Problem, wie z. B. ein EMI-Problem?

Wenn diese drei Fragen keine gültigen Antworten haben, ist die Lösung wahrscheinlich einfach nur erfunden und schafft möglicherweise ein Problem, wie z. B. ein EMI-Problem, das sonst nicht existieren würde. Viele EMI-Probleme, die ich gelöst habe, hatten ihren Ursprung in geteilten Masseflächen, die ich in den späten 1990er und frühen 2000er Jahren häufig in kleinen Festplattenlaufwerken antraf.

Elektronische Systeme haben Netzwerke, die wir als Masse bezeichnen und die sowohl Wechsel- als auch Gleichspannungsgradienten aufweisen, die durch die in ihnen fließenden Ströme verursacht werden. Daher können sie nicht als äquipotentiell mit magischen Eigenschaften in Bezug auf EMI betrachtet werden.

Eine Leiterplatte braucht keine analoge und digitale Erdungsebene, da dies den ordnungsgemäßen Betrieb des analogen Teils des Produkts nicht garantiert. Stattdessen sollte es nur eine Massefläche geben, die auf der gesamten Leiterplatte durchgängig sein sollte, gefolgt von einem sorgfältigen Design der Entscheidungsschleife.

Die Aufteilung einer Massefläche zerstört ihre Integrität als Verbindung mit ultraniedriger Impedanz zwischen allen Komponenten in einer Schaltung, und man sollte sie niemals in eine Leiterplatte einbauen. Ich habe mehr als 9.000 Studenten in meinen Signalintegritätskursen gefragt, ob sie Beispiele kennen, in denen die Aufteilung einer Massefläche die Leistung verbessert hat. Bis heute konnte keiner von ihnen ein Beispiel nennen, und auch keiner meiner Kollegen aus dem Ingenieurwesen. Wie Kenneth Wyatt feststellte: „Nach neuesten Überlegungen (Todd Hubing, Clemson University) ist es jedoch am besten, die Rückführungsebenen als eine einzige Ebene beizubehalten und die Signalleitungen sorgfältig zu verlegen (unter Berücksichtigung der entsprechenden Rückströme), so dass sie die A/D-Grenze nicht kreuzen.“

In den seltenen Fällen, in denen die Rückführungsebene zu Zwecken der Hochspannungsisolierung geteilt werden muss, müssen die Signale, die die Teilung kreuzen müssen, dies auf eine Weise tun, dass kein kontinuierlicher Rückstrompfad erforderlich ist. Transformatoren, Opto-Isolatoren und andere Arten von Isolatoren werden hier häufig verwendet.

Wie bereits erwähnt, ist die „Gehäuse“-Masse ein reines Sicherheitsmerkmal und spielt für die elektronische Funktion der Schaltungen oder deren EMI-Leistung keine Rolle. Daher ist es nicht notwendig, die Logikmasse mit der „Chassis“-Masse zu verbinden, und in einigen Fällen ist dies auch nicht erlaubt.

Eine der schwierigsten Herausforderungen für einen Entwicklungsingenieur ist es vielleicht, all die Fehlinformationen in der Presse und im Internet zu sortieren, die ungenau sind oder oft einfach von jemandem erfunden wurden, der nicht die notwendigen Nachforschungen angestellt hat, um sicherzustellen, dass die gegebenen Ratschläge technisch gültig sind.

Ich hoffe, dass dieser Artikel ein guter Ausgangspunkt für die Entmystifizierung der Dinge ist, die fälschlicherweise als „Masse“ im Leiterplatten- und Systemdesign bezeichnet werden.

• Der Mythos „Masse“
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