A mérnökök minden elektronikus áramkörben a “földelés” szót használják, hogy a rendszer vagy szerkezet valamely “semleges” vagy nulla potenciálú részét jelöljék. Sajnos gyakran úgy gondolunk az áramkörökre és rendszerekre, különösen azokra, amelyekben analóg és digitális jelek is vannak, hogy egynél több földeléssel rendelkeznek. Ez a fogalom adott okot egy nemrégiben egy jelintegrációs online közösségben folytatott vitára, amely ennek a cikknek a megírására késztetett bennünket. A mérnökök és a NYÁK-tervezők gyakran említik a különböző típusú földeléseket és az azok összekapcsolására szolgáló módszereket. Az, hogy ezek a “földelések”, amelyek valójában visszatérési útvonalak, hogyan csatlakoznak, jelentősen befolyásolhatja a rendszer teljesítményét.

Az ebben a beszélgetésben említett alapozási típusok a következők:

• Logikai föld
• Analóg föld
• Vázföld
• Biztonsági föld
• Föld

A különböző “földek” összekapcsolására javasolt módszerek a lehetőségek széles skáláját ölelik fel, beleértve:

• Csak egy ponton történő összekapcsolásukat.
• A földsík elvágása egy vegyes jelű komponens alatt
• Kondenzátorokkal való összekötésük.
• A földsík szegmentálása a NYÁK-on úgy, hogy a tervezés analóg és digitális oldala között csak egy helyen van keskeny kapcsolat.
• Az analóg és a digitális földelés szétválasztása.

1. ábra A legtöbb kapcsolási rajzban látható digitális logikai földelés szimbóluma.

Ezek a látszólag ellentétes módszerek a földelés kezelésére kissé zavaróak lehetnek. Kezdjük azzal, hogy tisztázzuk, mi is az a földelés, ami csökkentheti a zavart.

Az első kérdés, amit feltehet: Hogyan lehet a fenti elemek mindegyike föld? A válasz egyszerű: Egyik sem az. A föld az egyetlen olyan hely egy elektronikus rendszerben, amely egy referenciapont, ahonnan feszültségeket mérünk.

Ha ez az egyetlen definíció, akkor mik ezek a többi földnek nevezett dolgok?

A digitális logikai föld a digitális logika tápegységének “referencia” csatlakozója. A legtöbb digitális logikai rendszer esetében ez a logikai tápegység negatív csatlakozója, általában az 1. ábrán látható szimbólummal ábrázolva.

Az analóg föld az analóg áramkör tápegység referenciacsatlakozója. Ide van kötve az analóg jelforrás egyik oldala. A jelforrás másik oldala az analóg bemenethez vagy kimenethez van kötve. Az analóg földet általában a 2. ábrán látható szimbólummal jelölik .

2. ábra Analóg föld kapcsolási szimbólum.

Az alvázföld a váltóáramú hálózatról a termék házához csatlakozó biztonsági vezeték neve. Azért kapta ezt a nevet, mert a termék házát gyakran alváznak nevezik. Ez a vezeték általában a zöld vezeték egy hosszabbítóban, a termékhez csatlakozó háromvezetékes hálózatban, vagy a váltóáramú csatlakozó harmadik csapja (a kerek). Ha ezt a zöld vezetéket végigkövetjük egy épületen, végül egy földbe vert rézkaróhoz csatlakozik. Ennek a csatlakozásnak az a célja, hogy megvédje a termék kezelőjét abban az esetben, ha az egyik hálózati vezeték véletlenül csatlakozik a termék házához vagy “alvázához”. Így ez egy kizárólag biztonsági funkció.

3. ábra “Alváz” földelés vázlatos szimbóluma.

Néha az EMI mérnökök tévesen úgy hivatkoznak erre az “alváz földelésre” (3. ábra ), mint olyan helyre, amelynek valamilyen funkciója van az EMI megfékezésében. Ez az állítás soha nem alapult és soha nem is fog alapulni tényeken, mert nincs szerepe az elektronikai tervezésnek ebben a részében.

A biztonsági földelés egy másik elnevezés, amelyet az alvázföldelés leírására használnak. A földelés egy másik elnevezés a biztonsági földelésre.

Mindegyik elnevezés ahhoz a kérdéshez vezet, hogy hogyan kell összekötni a “földelt” áramköröket (visszatérési utakat), vagy hogy egyáltalán össze kell-e kötni őket, és ha igen, akkor miért. Ez a kérdés általában vagy azzal kapcsolatban merül fel, hogy hogyan védjük meg az érzékeny analóg jeleket a külső zajforrásoktól, vagy hogyan fékezzük meg az EMI-t.

Az analóg jelek kezelése
Az analóg jelek problémáját tekintve először az analóg jeleket kell megvédeni a külső zajforrásoktól, amelyek ronthatják a jel teljesítményét. A 4. ábra egy tipikus vegyes analóg és digitális IC példája, amely az áramkör két oldalát mutatja egy analóg és egy digitális földelőtűvel. Ez reprezentatív a vegyes jelű elektronika tervezésekor felmerülő legtöbb problémára.

A piros kiemelés az úgynevezett “analóg döntési hurok” jelzi. Ez az az áramkör, amelyet védeni kell a külső zajforrásoktól ahhoz, hogy az áramkör megfelelően működjön. Az IC-nek van egy analóg “föld” csapja és egy digitális “föld” csapja. Meg kell értenie, hogyan kell alkalmazni ezeket a csapokat, hogy megfelelő NYÁK-tervezéshez jusson. Ennek a vegyes jelű IC-nek a digitális oldalán tranziens áramok áramlanak a földkábelen keresztül. Ezek az áramok az analóg jel belső digitális feldolgozásához kapcsolódnak, és az IC kimeneti átviteli vonalait vezetik. Ha ez egy 8 bites A/D átalakító lenne egy 2,5 V-os logikai szintekkel rendelkező logikai rendszerben, akkor az ezen az úton folyó tranziens áram akár 200 mA is lehet. Ez az ?I vagy a földkábel induktivitásán átfolyó gyorsan változó áram akár 100 mV-os feszültségtranzienseket is kialakíthat a NYÁK földje és a chip földje között. Ez egy elfogadható tranziens a logikai áramkör számára.

Ha a tárgyalt áramkör egy 12 bites A/D átalakító, akkor az áramkör analóg oldalának feladata 0,5 mV-os feszültségkülönbségek feloldása a 2 V-os teljes jelingadozásból. Ha csak egy földelési útvonal van az IC-n kívül, akkor a 100 mV-os digitális kapcsolási tranziens az analóg jel fölé kerülne, ami használhatatlanná tenné az áramkört. Ezért az IC analóg oldala külön földelési útvonallal rendelkezik a csomagból .

A 4. ábra jellemző azokra az áramkörökre, amelyek alkalmazási megjegyzésekkel vagy más irányelvekkel rendelkeznek, amelyek egy analóg és egy digitális földsíkot vagy az alkatrész alatti földsík felosztását írják elő. Ezek bármelyikének elvégzése elvonja a figyelmet az analóg jelhurok külső zajoktól való védelmének tényleges mérnöki problémájáról. (Megjegyzés: A 4. ábrán az áramáramlás nyilának iránya az áramlást alkotó elektronok áramlását jelenti.)

4. ábra Az analóg-digitális átalakítónak általában külön érintkezők vannak az analóg és a jelvisszatéréshez.

Az alkatrész alatti földsík felosztása nem kívánt mellékhatást okoz. Azoknak a jeleknek, amelyeknek át kell haladniuk a vágás egyik oldaláról a másikra, nincs útjuk a visszatérő áramuknak. Ez az áram más utat fog találni, hogy visszatérjen a forrásához, ami jelintegritási vagy EMI-problémákhoz vezethet.

A zaj kétféleképpen jut be az analóg jelhurokba. Az első a hurok bármelyik oldalára történő csatolással a túl közel haladó szomszédos jel kapacitív vagy mágneses csatolásával (ezt általában áthallásnak nevezzük). A keresztbeszólást az EM-mező elektromos komponense (kapacitív keresztbeszólás) vagy az EM-mező mágneses komponense (induktív keresztbeszólás) hozhatja létre. Hogy melyik forma létezik, az az egymás mellett lévő két vezető konfigurációjától függ.)

A második módja annak, hogy a zaj hatással lehet az analóg áramkörökre, az, hogy az útvonal “földelt” oldalán egy másik jel osztozik. Ez általában akkor történik, ha az analóg forrás és az eszköz analóg “föld” csapja közötti kapcsolat az alkatrésztől némi távolságra lévő földsíkra történik. A legtöbb esetben mindkét probléma megoldható olyan árnyékolt kábel használatával, amelynek két csatlakozása az IC csatlakozóinál van, az egyik csatlakozás az árnyékolás, amely az eszköz “analóg föld” csatlakozójához csatlakozik, a középső vezető pedig az analóg eszköz bemeneti oldalához csatlakozik. Példák az ilyen típusú áramkörökre:

• A lemezmeghajtó olvasófeje és az előerősítő közötti kapcsolat
• A nyúlásmérő és a bemeneti erősítő közötti kapcsolat
• A fonográftű és a bemeneti előerősítő közötti kapcsolat (ezt csak az öregek ismerik!)

A 4. ábrán látható példa olyan rendszerrel foglalkozik, ahol az analóg forrás “fedélzeten kívül” van. Ha a forrás és a terhelés ugyanazon a NYÁK-on van, az “analóg hurok” kezelésének helyes módja az, hogy megnézzük, hol van, és olyan elrendezési döntéseket hozunk, amelyek megvédik a hurkot az áthallásoktól és a feszültséggradiensektől az áramkör “földelt” részében, amelyek veszélyeztetnék a teljesítményt. Ezt a problémát szinte minden esetben úgy lehet kezelni, hogy az alkatrészek gondos elhelyezését választjuk a NYÁK felületén, hogy más áramkörökből származó áram ne folyjon át azon a területen, ahol az analóg döntési hurok található. Példák az ilyen típusú áramkörökre az erősítőfokozatok közötti kapcsolatok egy rádióban vagy egy sztereó rendszerben

Az EMI kezelése
Néha hasznosnak találom Bruce Archambeault EMI-mérnököt idézni, amikor az EMI-vel kapcsolatban felmerül a földelés témája: “A földelés a krumpli és a répa helye.”

Az ok, amiért mind Bruce, mind én ezt a kijelentést teszem, az, hogy a “földelés” szó használata az EMI-vel kapcsolatos vitákban nem ér semmit. Valójában elvonja a figyelmünket a feladatról, ami az RF-energia megfékezése, amely kiszabadulhat a termékeinkből, és EMI-hibát okozhat.

Másképpen fogalmazva, a cikk elején földként felsorolt dolgok egyike sincs összefüggésben az EMI megfékezésével. Az EMI-elszigetelés szempontjából fontos elemek a kábelek árnyékolása és a termékeket körülvevő Faraday-ketrecek, de ezek egy másik cikk témái.

Az alkalmazási megjegyzések és irányelvek formájában nagyon sok téves információ áll rendelkezésre azzal kapcsolatban, hogy mi a földelés és hogyan kell használni. Ezen alkalmazási megjegyzések némelyike szerint az alaplapot analóg és digitális oldalra kell felosztani, és a két oldalt csak egy ponton kell összekötni. Mások azt javasolják, hogy két különálló sík legyen, az egyik analóg, a másik digitális. A két sík összekötésének módja az egyes alkalmazási jegyzetekben változik. Az a tapasztalatom ezekkel a jegyzetekkel kapcsolatban, hogy olyan problémát kezelnek, amelynek létezése nem bizonyított. A legrosszabb az ilyen jegyzetekben az, hogy nem foglalkoznak a tényleges problémával: a döntési hurok védelmével a külső zajforrásoktól.

A visszatérő hálózat tervezésének kiválasztásakor a következő kérdéseket kell figyelembe vennie.

• Létezik-e valódi probléma?
• A javasolt megoldás megoldja a problémát?
• A javasolt megoldás új problémát, például EMI-problémát okoz?

Ha erre a három kérdésre nincs érvényes válasz, akkor jó eséllyel a megoldás egyszerűen kitalált, és olyan problémát, például EMI-problémát okozhat, amely egyébként nem létezne. Sok általam megoldott EMI-probléma eredete az osztott alaplapokból eredt, amelyekkel gyakran találkoztam kis lemezmeghajtókban az 1990-es évek végén és a 2000-es évek elején.

Az elektronikus rendszerekben vannak olyan hálózatok, amelyeket földnek nevezünk, és amelyek a bennük folyó áramok által okozott váltakozó és egyenfeszültségi gradiensekkel rendelkeznek. Így nem tekinthetők mágikus tulajdonságokkal rendelkező ekvipotenciálisnak az EMI szempontjából.

Egy NYÁK-nak nincs szüksége egy analóg és egy digitális földsíkra, mert ezek megléte nem garantálja a termék analóg részének megfelelő működését. Ehelyett csak egy földsíknak kell lennie, amelynek folyamatosnak kell lennie az egész NYÁK-on, amelyet a döntési hurok gondos kialakítása követ.

A földsík felosztása tönkreteszi annak integritását, mint az áramkörben lévő összes alkatrész közötti ultraalacsony impedanciájú kapcsolatot, és ezt soha nem szabad a NYÁK-ra tervezni. Több mint 9000 hallgatót kérdeztem meg a jelintegrációs óráimon, hogy van-e olyan példájuk, amikor az alaplap felosztása javította a teljesítményt. A mai napig egyikük sem tudott ilyet mondani, ahogyan mérnök kollégáim sem. Ahogy Kenneth Wyatt megjegyezte: “A legújabb elképzelések szerint (Todd Hubing, Clemson University) azonban az a legjobb, ha a visszatérő síkokat egyetlen síkban tartjuk, és a jelnyomvonalak útvonalát úgy alakítjuk ki (szem előtt tartva a megfelelő visszatérő áramokat), hogy azok ne keresztezzék az A/D határvonalat.”

Egy olyan ritka esetben, amikor a visszatérő síkot nagyfeszültségű szigetelés céljából meg kell osztani, a jeleknek, amelyeknek át kell haladniuk a megosztáson, ezt úgy kell megtenniük, hogy ne legyen szükség folyamatos visszatérő áramútra. Itt gyakran használnak transzformátorokat, opto-izolátorokat és más típusú leválasztókat.

Amint korábban említettük, az “alváz” földelése kizárólag biztonsági funkció, és nincs szerepe az áramkörök elektronikus működésében vagy EMI teljesítményében. Így nincs szükség a logikai földelés összekapcsolására az “alváz” földeléssel, és bizonyos esetekben ez nem is megengedett.

A tervezőmérnöknek talán az egyik legnehezebb kihívás a nyomtatott és online megjelenő téves információk között válogatni, amelyek pontatlanok, vagy gyakran egyszerűen csak kitalálta őket valaki, aki nem végezte el a szükséges kutatást annak biztosítására, hogy az adott tanács műszakilag érvényes legyen.

Remélem, ez a cikk jó kiindulópontnak bizonyult a NYÁK- és rendszertervezésben tévesen “földként” emlegetett dolgok demisztifikálásához.

• A “ground”-nak nevezett mítosz
• A ground illúzió: Ne hagyd, hogy visszajöjjön érted
• A folyón való átkelés: Az osztott síkú résen való átkelés veszélyei nagy sebességű jellel
• A visszatérési útvonal megszakításai és az EMI: Az összefüggés megértése
• EMI és emisszió: szabályok, előírások és lehetőségek
• A földelés és árnyékolás:
• EMI és emisszió: szabályok, előírások és lehetőségek
• Válasz az EMC-kérdésekre (7. rész)
• Sikeres PCB-földelés vegyes jelű chipeknél – 1. rész: Az áramáramlás alapelvei
• A NYÁK-tervezés tíz legjobb gyakorlata
• Kérdések a PC-lapok EMC-csökkentésére
• A közös módusú jelek megértése
• A NYÁK jelcsatolása problémát jelenthet
• Tervezői füzet: