Insinöörit käyttävät sanaa ”maadoitus” kaikissa elektronisissa virtapiireissä tarkoittamaan jotakin järjestelmän tai rakenteen osaa, joka on ”neutraali” eli nollapotentiaali. Valitettavasti ajattelemme usein, että piireissä ja järjestelmissä, erityisesti niissä, joissa on sekä analogisia että digitaalisia signaaleja, on useampi kuin yksi maa. Tämä käsite herätti hiljattain keskustelua eräässä signaalien integrointia käsittelevässä verkkoyhteisössä, mikä sai meidät kirjoittamaan tämän artikkelin. Insinöörit ja piirilevysuunnittelijat mainitsevat usein erityyppisiä maadoituksia ja menetelmiä niiden yhdistämiseksi toisiinsa. Se, miten nämä ”maadoitukset”, jotka ovat oikeastaan paluureittejä, yhdistetään, voi vaikuttaa merkittävästi järjestelmän suorituskykyyn.

Keskustelussa mainittuja maadoitustyyppejä ovat mm. seuraavat:

• Logiikkamaa
• Analogimaa
• Runkomaa
• Turvamaa
• Maa

Tapoja, joita ehdotetaan näiden erilaisten ”maadoitusten” yhdistämiseen, on monenlaisia, mukaan lukien:

• Kytketään ne vain yhdestä pisteestä.
• Maadoitustason leikkaaminen sekasignaalikomponentin alta
• Kytkeminen kondensaattoreilla.
• Maadoitustason segmentointi piirilevyssä siten, että suunnittelun analogisen ja digitaalisen puolen välillä on vain kapea yhteys yhdessä kohdassa.
• Erottamalla analoginen ja digitaalinen maadoitus.

Kuva 1 Useimmissa kaavioissa nähtävä digitaalisen logiikan maadoitussymboli.

Nämä näennäisesti ristiriitaiset menetelmät maadoituksen käsittelemiseksi voivat olla hieman hämmentäviä. Aloitamme selventämällä, mitä maadoitus on, minkä pitäisi vähentää sekaannusta.

Ensimmäinen kysymys, jonka saatat kysyä, on: Miten kaikki edellä mainitut kohteet voivat olla maata? Vastaus on yksinkertainen: Mikään niistä ei ole. Maa on elektronisen järjestelmän ainoa paikka, joka on referenssipiste, josta mitataan jännitteitä.

Jos tämä on ainoa määritelmä, niin mitä nämä muut asiat, joita kutsutaan maaksi, ovat?

Digitaalilogiikan maa on digitaalisen logiikkasi virtalähteen ”referenssi”-pääte. Useimmissa digitaalisissa logiikkajärjestelmissä se on logiikan virtalähteen negatiivinen pääte, joka yleensä esitetään kuvassa 1 esitetyllä symbolilla.

Analoginen maa on analogisen piirin virtalähteen vertailupääte. Siihen sidotaan analogisen signaalilähteen toinen puoli. Signaalilähteen toinen puoli on sidottu analogiseen tuloon tai lähtöön. Analoginen maadoitus merkitään yleensä kuvassa 2 esitetyllä symbolilla.

Kuva 2 Analogisen maadoituksen kaaviosymboli.

Alustamaadoitus on nimitys, joka on annettu suojakaapelin liitännälle vaihtovirtaverkosta tuotteen koteloon. Se on saanut tämän nimen, koska tuotteen koteloa kutsutaan usein alustaksi. Tämä johto on yleensä vihreä johto jatkojohdossa, kolmijohtimisessa verkkoliitännässä, joka kytketään tuotteeseen, tai vaihtovirtaliittimen kolmas nasta (se pyöreä). Jos tätä vihreää johtoa seurataan rakennuksen läpi, se yhdistyy lopulta maahan lyötyyn kuparipaaluun. Tämän kytkennän tarkoituksena on suojata tuotteen käyttäjää siltä varalta, että jokin verkkojohdoista kytkeytyy vahingossa tuotteen koteloon tai ”alustaan”. Kyseessä on siis pelkkä turvallisuustoiminto.

Kuva 3 ”Alustan” maadoituksen kaavamainen symboli.

Joskus sähkömagneettisen häiriön insinöörit viittaavat virheellisesti tähän ”alustan maadoitukseen” (kuva 3 ) paikkana, jolla on jokin tehtävä sähkömagneettisen häiriön rajoittamisessa. Tämä väite ei ole koskaan perustunut eikä tule koskaan perustumaan tosiasioihin, koska sillä ei ole mitään roolia tässä elektroniikkasuunnittelun osassa.

Turvamaa on toinen nimi, jota käytetään kuvaamaan alustamaata. Maadoitusmaa on toinen nimi suojamaadoitukselle.

Kaikki nämä nimet johtavat kysymykseen siitä, miten ”maadoitus”-piirit (paluupolut) kytketään yhteen tai pitäisikö ne ylipäätään kytkeä yhteen, ja jos pitäisi, niin miksi. Tämä kysymys syntyy yleensä joko siitä, miten suojata herkät analogiset signaalit ulkopuolisilta häiriölähteiltä, tai siitä, miten hillitä EMI:tä.

Analogisten signaalien käsittely
Käsitellessäsi ensin analogisten signaalien ongelmaa, sinun on suojattava analogiset signaalit ulkopuolisilta häiriölähteiltä, jotka voivat heikentää signaalin suorituskykyä. Kuvassa 4 on esimerkki tyypillisestä sekoitetusta analogisesta ja digitaalisesta IC:stä, jossa näkyy piirin kaksi puolta, joissa on sekä analoginen maadoitustappi että digitaalinen maadoitustappi. Se edustaa suurinta osaa ongelmista sekasignaalielektroniikkaa suunniteltaessa.

Punainen korostus osoittaa, mitä kutsutaan ”analogiseksi päätöksentekosilmukaksi”. Tämä on piiri, joka on suojattava ulkopuolisilta häiriölähteiltä, jotta piiri toimisi oikein. IC:ssä on analoginen ”maa”-nasta ja digitaalinen ”maa”-nasta. Sinun on ymmärrettävä, miten näitä nastoja käytetään, jotta päästään asianmukaiseen piirilevysuunnitteluun. Tämän sekasignaali-IC:n digitaalisella puolella on transienttivirtoja, jotka kulkevat sen maadoitusjohdon kautta. Nämä virrat liittyvät analogisen signaalin sisäiseen digitaaliseen käsittelyyn, ja ne ohjaavat IC: n lähtösiirtolinjoja. Jos kyseessä olisi 8-bittinen A/D-muunnin logiikkajärjestelmässä, jossa on 2,5 V:n logiikkatasot, tällä reitillä virtaavat transientit voisivat olla jopa 200 mA. Tämä ?I tai nopeasti muuttuva virta, joka virtaa maadoitusjohdon induktanssin läpi, voi kehittää jopa 100 mV:n suuruisia jännitetransientteja piirilevyn maadoituksen ja piirilevyn maadoituksen välille. Tämä on hyväksyttävä transientti logiikkapiirille.

Jos käsiteltävänä oleva piiri on 12-bittinen A/D-muunnin, piirin analogisen puolen tehtävänä on ratkaista 0,5 mV:n jännite-erot 2 V:n kokonaissignaalin vaihtelusta. Jos IC:stä lähtee vain yksi maadoituspolku, 100 mV:n digitaalinen kytkentä-transientti päällekkäin analogisen signaalin kanssa tekisi piiristä hyödyttömän. Tämän vuoksi IC:n analogisella puolella on erillinen maadoitusreitti ulos pakkauksesta.

Kuva 4 on tyypillinen piireille, joilla on sovellusmuistiinpanoja tai muita ohjeita, joissa määritetään analoginen maataso ja digitaalinen maataso tai maatason jakaminen komponentin alla. Jommankumman näistä asioista tekeminen heikentää varsinaista teknistä ongelmaa, joka on analogisen signaalisilmukan suojaaminen ulkoiselta kohinalta. (Huomautus: Kuvassa 4 esitetyn virran kulkua osoittavan nuolen suunta on virran kulun muodostavien elektronien virtaussuunta.)

Kuva 4 Analogi-digitaalimuuntimessa on tyypillisesti erilliset nastat analogista ja signaalin palautusta varten.

Komponentin alapuolella olevan maadoitustason halkaiseminen synnyttää ei-toivotun sivuvaikutuksen. Signaaleilla, joiden on kuljettava leikkauksen toiselta puolelta toiselle, ei ole reittiä paluuvirralleen. Tämä virta löytää toisen tavan palata lähteeseensä, mikä voi johtaa signaalin eheys- tai EMI-ongelmiin.

Kohina pääsee analogiseen signaalisilmukkaan kahdella tavalla. Ensimmäinen on kytkeytyminen silmukan jommallekummalle puolelle kapasitiivisen tai magneettisen kytkennän kautta liian lähellä kulkevasta viereisestä signaalista (kutsumme tätä yleensä ristikkäisääneksi). Ristikkäisääni voi syntyä EM-kentän sähköisestä komponentista (kapasitiivinen ristikkäisääni) tai EM-kentän magneettisesta komponentista (induktiivinen ristikkäisääni). Kumpaa muotoa esiintyy, riippuu kahden vierekkäin olevan johtimen konfiguraatiosta.)

Toinen tapa, jolla kohina voi vaikuttaa analogisiin piireihin, on se, että polun ”maadoituspuolen” voi jakaa toinen signaali. Tämä tapahtuu yleensä silloin, kun analogisen lähteen ja laitteen analogisen ”maa”-nastan välinen yhteys tehdään maatasoon, joka on jonkin matkan päässä osasta. Useimmissa tapauksissa molemmat ongelmat ratkaistaan käyttämällä suojattua kaapelia, jonka kaksi liitäntää on tehty IC:n liittimiin, joista toinen liitäntä on laitteen ”analoginen maa”-liitäntään yhdistävä suoja ja keskijohdin, joka yhdistetään analogisen laitteen tulopuolelle. Esimerkkejä tämäntyyppisistä piireistä ovat:

• Levyaseman lukupään ja esivahvistimen välinen liitäntä
• Vetomittarin ja sisääntulovahvistimen välinen liitäntä
• Fonografin neulan ja sisääntulon esivahvistimen välinen liitäntä (vain vanhat ihmiset tietävät tästä!)

Kuvassa 4 esitettävässä esimerkissä on kyse systeemistä, jossa analoginen lähde on ”poissa piirilevystä”. Kun sekä lähde että kuorma ovat samalla piirilevyllä, oikea tapa käsitellä ”analogista silmukkaa” on katsoa, missä se on, ja tehdä asetteluvalintoja, jotka suojaavat silmukkaa ristikkäisviestinnältä ja piirin ”maadoitusosassa” olevilta jännitegradienteilta, jotka heikentäisivät suorituskykyä. Lähes kaikissa tapauksissa tämä ongelma ratkaistaan sijoittamalla komponentit huolellisesti piirilevyn pinnalle siten, että muiden piirien virrat eivät kulje alueen läpi, jossa analoginen päätöksentekosilmukka sijaitsee. Esimerkkejä tämäntyyppisistä piireistä ovat radion tai stereojärjestelmän vahvistinvaiheiden väliset liitännät

EMI:n käsittely
Joskus minusta on hyödyllistä siteerata EMI-insinööri Bruce Archambeault’ta, kun EMI:n yhteydessä nousee esiin maadoitus: ”Maadoitus on perunoiden ja porkkanoiden paikka.”

Syy siihen, että sekä Bruce että minä esitämme tämän toteamuksen, on se, että sanan maadoitus käyttämisellä sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta sähkömagneettisesta yhteensopivuus. Itse asiassa se häiritsee meitä käsillä olevasta tehtävästä, joka on sellaisen RF-energian hillitseminen, joka saattaa karata tuotteistamme ja aiheuttaa EMI-häiriön.

Toisella tavalla sanottuna, millään tämän artikkelin alussa maadoituksina luetelluista asioista ei ole mitään merkitystä EMI:n hillitsemisessä . EMI:n eristämisen kannalta tärkeitä asioita ovat kaapeleiden suojat ja tuotteita ympäröivät Faradayn häkit, mutta ne ovat toisen artikkelin aiheita.

Sovellusohjeiden ja ohjeiden muodossa on hyvin paljon väärää tietoa siitä, mitä maadoitus on ja miten sitä käytetään. Joissakin näistä sovellusohjeista todetaan, että maataso tulisi jakaa analogiseen ja digitaaliseen puoleen ja yhdistää nämä kaksi puolta vain yhdessä pisteessä. Toisissa taas ehdotetaan kahta erillistä tasoa, joista toinen on analoginen ja toinen digitaalinen. Se, miten nämä kaksi tasoa yhdistetään, vaihtelee kunkin sovellusohjeen mukaan. Kokemukseni näistä huomautuksista on, että niissä käsitellään ongelmaa, jonka olemassaoloa ei ole todistettu. Pahinta tällaisissa muistiinpanoissa on se, että ne eivät käsittele varsinaista ongelmaa: päätöksentekosilmukan suojaamista ulkopuolisilta häiriölähteiltä.

Harkitse seuraavia kysymyksiä valitessasi, miten paluuverkko suunnitellaan.

• Onko todellinen ongelma olemassa?
• Ratkaiseeko ehdotettu ratkaisu ongelman?
• Luouko ehdotettu ratkaisu uuden ongelman, kuten EMI-ongelman?

Jos näihin kolmeen kysymykseen ei ole päteviä vastauksia, on todennäköistä, että ratkaisu on yksinkertaisesti keksitty ja se saattaa hyvinkin luoda ongelman, kuten EMI-ongelman, jota ei ehkä muuten olisi. Monet ratkaisemani EMI-ongelmat olivat saaneet alkunsa jaetuista maatasoista, joita kohtasin usein pienissä levyasemissa 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa.

Elektronisissa järjestelmissä on maadoitetuiksi kutsuttuja verkkoja, joissa on sekä vaihto- että tasajännitejännitteitä, jotka johtuvat niissä virtaavista virroista. Näin ollen niitä ei voida pitää EMI:n suhteen maagisia ominaisuuksia omaavina ekvipotentiaalisina.

Piirilevyllä ei tarvita analogista maatasoa ja digitaalista maatasoa, koska niiden olemassaolo ei takaa tuotteen analogisen osan asianmukaista toimintaa. Sen sijaan sillä pitäisi olla vain yksi maataso, jonka pitäisi olla jatkuva koko piirilevyllä, minkä jälkeen päätöksentekosilmukka suunnitellaan huolellisesti.

Maatutason pilkkominen tuhoaa sen eheyden ultramatalan impedanssin yhteytenä piirin kaikkien komponenttien välillä, eikä sitä pitäisi koskaan suunnitella piirilevyyn. Olen kysynyt yli 9000 opiskelijalta signaali-integraatioluokillani, onko heillä esimerkkejä, joissa maatason jakaminen paransi suorituskykyä. Tähän mennessä yksikään ei ole pystynyt esittämään sellaista, eikä yksikään insinöörikollegani ole pystynyt esittämään sellaista. Kuten Kenneth Wyatt totesi: ”Uusin ajattelutapa (Todd Hubing, Clemsonin yliopisto) on kuitenkin se, että on parasta pitää paluutasot yhtenä tasona ja olla varovainen signaalijälkien reitityksessä (pitäen mielessä vastaavat paluuvirrat), jotta ne eivät ylitä A/D-rajoja.”

Näissä harvinaisissa tapauksissa, joissa paluutaso on jaettava korkeajännitteisen eristyksen vuoksi, signaalit, joiden on ylitettävä jaettu taso, on jaettava niin, että jatkuvaa paluuvirtapolkua ei tarvita. Tässä käytetään usein muuntajia, optoerottimia ja muunlaisia erottimia.

Kuten aiemmin todettiin, ”alustan” maadoitus on vain turvallisuusominaisuus, eikä sillä ole mitään merkitystä piirien elektronisen toiminnan tai niiden EMI-suorituskyvyn kannalta. Näin ollen logiikkamaadoitusta ei tarvitse kytkeä ”Chassis”-maadoitukseen, ja joissakin tapauksissa se ei ole sallittua.

Periaatteessa yksi vaikeimmista haasteista, joita suunnitteluinsinöörillä on edessään, on lajitella kaikki painetussa muodossa ja verkossa esiintyvä väärä informaatio, joka on epätarkkaa tai usein yksinkertaisesti jonkun sellaisen henkilön keksimää, joka ei ole tehnyt tarvittavaa tutkimusta varmistaakseen, että annetut neuvot ovat teknisesti päteviä.

Toivottavasti löysit tästä artikkelista hyvän lähtökohdan demystifioida piirilevy- ja järjestelmäsuunnittelussa virheellisesti ”maaksi” kutsuttuja asioita.

• Myytti nimeltä ”maa”
• Maahan liittyvä harha: Älä anna sen tulla takaisin hakemaan sinua
• Joen ylittäminen: Paluupolun epäjatkuvuudet ja sähkömagneettinen häiriö: Ymmärrä suhde
• EMI ja päästöt: säännöt, määräykset ja vaihtoehdot
• Maadoitus ja suojaus:
• EMI ja päästöt: säännöt, määräykset ja vaihtoehdot
• EMC-kysymyksiin vastattu (osa 7)
• Menestyksekäs piirilevyn maadoitus sekasignaalisirujen kanssa – Osa 1: Virran kulun periaatteet
• Kymmenen parasta piirilevysuunnittelukäytäntöä
• Kysymyksiä piirilevyistä EMC:n lieventämiseksi
• Yhteismuotoisten signaalien ymmärtäminen
• PCB-signaalien kytkeytyminen voi olla ongelma
• Suunnittelijan muistikirja: Signaalien eristäminen