Uw schakelingen correct aarden

Onkundigen gebruiken het woord “aarde” in elk elektronisch circuit om een deel van een systeem of structuur aan te duiden dat “neutraal” is, oftewel geen potentiaal heeft. Helaas denken wij vaak dat schakelingen en systemen, vooral die met zowel analoge als digitale signalen, meer dan één aarde hebben. Dit concept gaf aanleiding tot een recente discussie op een signaal-integriteit online gemeenschap, die ons ertoe aanzette dit artikel te schrijven. Ingenieurs en PCB-ontwerpers hebben het vaak over verschillende soorten aarding en methoden om deze met elkaar te verbinden. Hoe die “aardingen”, die eigenlijk retourpaden zijn, met elkaar verbonden zijn, kan de prestaties van een systeem aanzienlijk beïnvloeden.

De soorten aarding die in deze discussie worden genoemd, zijn onder meer:

Logic ground
Analog ground
Chassis ground
Safety ground
Earth ground

Methodes voorgesteld voor het aansluiten van deze verschillende “gronden” bestrijken een breed scala van opties, waaronder:

Verbinden ze op slechts één punt.
Het doorsnijden van het grondvlak onder een gemengd signaal component
Het verbinden met condensatoren.
Het grondvlak in een PCB zodanig segmenteren dat er slechts op één plaats een smalle verbinding is tussen de analoge en digitale zijde van het ontwerp.
Het scheiden van de analoge en digitale aarding.

Figuur 1 Symbool voor digitale logische aarding, te zien in de meeste schematische diagrammen.

Deze schijnbaar tegenstrijdige methoden voor het omgaan met aarding kunnen een beetje verwarrend zijn. We zullen beginnen met te verduidelijken wat massa is, wat de verwarring zou moeten verminderen.

De eerste vraag die je zou kunnen stellen is: Hoe kunnen alle bovenstaande voorwerpen grond zijn? Het antwoord is eenvoudig: Dat zijn ze geen van allen. Aarde is de enige plaats in een elektronisch systeem dat een referentiepunt is van waaruit we spanningen meten.

Als dat de enige definitie is, wat zijn dan die andere dingen die aarde worden genoemd?

Digitale logische aarde is de “referentie”-terminal van een voeding voor uw digitale logica. Voor de meeste digitale logische systemen is het de negatieve klem van de logische voeding, meestal weergegeven met het symbool in figuur 1.

Analoge aarde is de referentieklem van de voeding die een analoge schakeling voedt. Het is de plaats waar één zijde van een analoge signaalbron is verbonden. De andere kant van de signaalbron is verbonden met de analoge ingang of uitgang. Analoge aarde wordt gewoonlijk aangeduid met het symbool in figuur 2 .

Figuur 2 Schematische weergave van analoge aarde.

Chassisaarde is de naam die wordt gegeven aan de aansluiting van de veiligheidsdraad van het wisselstroomnet op de behuizing van een product. Deze naam wordt gegeven omdat de behuizing van een product vaak het chassis wordt genoemd. Deze draad is meestal de groene draad in een verlengsnoer, in de driedraadsleiding die op een product wordt aangesloten, of de derde pen op een wisselstroomconnector (de ronde). Als u deze groene draad door een gebouw volgt, komt hij uiteindelijk uit op een koperen staak die in de aarde is geslagen. Het doel van deze verbinding is de gebruiker van het product te beschermen in het geval dat een van de netdraden per ongeluk een verbinding maakt met de behuizing of het “chassis” van het product. Het is dus een functie die alleen bedoeld is voor de veiligheid.

Figuur 3 “Chassis” aardingssymbool.

Soms wordt door EMI-ingenieurs ten onrechte verwezen naar deze “Chassis aarde” (Figuur 3 ) als een plaats die een functie heeft bij het indammen van EMI. Deze bewering is nooit op feiten gebaseerd geweest en zal dat ook nooit zijn, omdat deze geen rol speelt in dit deel van een elektronisch ontwerp.

Safety ground is een andere naam die wordt gebruikt om chassisaarde aan te duiden. Aarding is een andere naam voor de veiligheidsaarde.

Al deze benamingen leiden tot de vraag hoe je je “aardings”-circuits (retourpaden) met elkaar moet verbinden of dat ze überhaupt met elkaar moeten worden verbonden, en zo ja, waarom. Deze vraag wordt meestal gesteld over hoe gevoelige analoge signalen moeten worden beschermd tegen externe ruisbronnen of hoe EMI kan worden ingedamd.

Hantering van analoge signalen
Als we het probleem van het analoge signaal als eerste aanpakken, moeten we analoge signalen beschermen tegen externe ruisbronnen die de signaalprestaties zouden kunnen verminderen. Figuur 4 is een voorbeeld van een typisch gemengd analoog en digitaal IC met de twee zijden van de schakeling met zowel een analoge massapin als een digitale massapin. Het is representatief voor de meeste problemen bij het ontwerpen van mixed-signal elektronica.

De rode markering geeft aan wat de “analoge besluitvormingslus” wordt genoemd. Dit is het circuit dat moet worden beschermd tegen externe ruisbronnen om het circuit goed te laten presteren. Het IC heeft een analoge “ground” pin en een digitale “ground” pin. Je moet begrijpen hoe je deze pennen moet aanbrengen om tot een juist printontwerp te komen. Aan de digitale kant van dit mixed-signal IC vloeien voorbijgaande stromen door de massalijn. Deze stromen zijn verbonden met de interne digitale verwerking van het analoge signaal en zij drijven de uitgangstransmissielijnen van het IC aan. Indien dit een 8-bit A/D-omzetter zou zijn in een logisch systeem met 2,5 V logische niveaus, zouden de stroomtransiënten die in dit pad vloeien wel 200 mA kunnen bedragen. Deze ?I of snel veranderende stroom die door de inductantie van de massaleiding vloeit, kan spanningstransiënten van wel 100 mV tussen massa op de printplaat en massa op de matrijs ontwikkelen. Dit is een aanvaardbare transient voor de logische schakeling.

Als de besproken schakeling een 12-bit A/D-omzetter is, heeft de analoge kant van de schakeling de taak spanningsverschillen van 0,5 mV op een totale signaalschommeling van 2 V op te lossen. Als er slechts één massapad uit het IC is, zou de 100 mV digitale schakeltransient over het analoge signaal worden gesuperponeerd, waardoor de schakeling nutteloos zou worden. Dit is de reden waarom de analoge kant van het IC een apart aardpad heeft uit het pakket.

Figuur 4 is typerend voor schakelingen die toepassingsnotities of andere richtlijnen hebben die een analoog aardvlak en een digitaal aardvlak specificeren of het splitsen van het aardvlak onder de component. Het doen van een van deze dingen doet afbreuk aan het eigenlijke technische probleem van het beschermen van de analoge signaalkring tegen externe ruis. (Opmerking: De richting van de stroompijl in Fig. 4 is de stroom van de elektronen die de stroom vormen.)

Figuur 4 Een analoog-digitaal-omzetter heeft gewoonlijk afzonderlijke pennen voor analoge en signaalretouren.

Het splitsen van het massavlak onder de component creëert een ongewenst neveneffect. Signalen die van de ene kant van de snede naar de andere moeten, hebben geen pad voor hun retourstroom. Die stroom zal een andere weg vinden om terug te keren naar de bron, wat kan leiden tot signaalintegriteit of EMI problemen.

Ruis komt op twee manieren de analoge signaalkring binnen. De eerste is door koppeling aan beide zijden van de lus door capacitieve of magnetische koppeling van een aangrenzend signaal dat te dichtbij komt (we noemen dit meestal overspraak). Overspraak kan worden veroorzaakt door de elektrische component van een EM-veld (capacitieve overspraak) of de magnetische component van het EM-veld (inductieve overspraak). Welke vorm bestaat, hangt af van de configuratie van de twee geleiders die naast elkaar liggen.)

De tweede manier waarop ruis analoge schakelingen kan beïnvloeden, is door de “massa”-zijde van het pad te laten delen door een ander signaal. Dit gebeurt meestal wanneer de verbinding tussen de analoge bron en de analoge “massa”-pen van het apparaat wordt gemaakt naar het aardvlak op enige afstand van het onderdeel. In de meeste gevallen worden beide problemen opgelost door gebruik te maken van een afgeschermde kabel waarvan de twee aansluitingen zijn gemaakt op de aansluitpunten van het IC, waarbij één aansluiting de afscherming is die wordt verbonden met de “analoge massa”-aansluiting van het apparaat en de middengeleider die wordt verbonden met de ingangszijde van het analoge apparaat. Voorbeelden van dit type schakeling zijn:

De verbinding tussen de leeskop van een diskdrive en de voorversterker
De verbinding tussen een spanningsmeter en de ingangsversterker
De verbinding tussen een fonograafnaald en de ingangsvoorversterker (alleen oude mensen weten hiervan!)

Het voorbeeld in figuur 4 heeft betrekking op een systeem waarbij de analoge bron “off board” is. Wanneer zowel de bron als de belasting zich op dezelfde print bevinden, is de juiste manier om met de “analoge lus” om te gaan, te kijken waar deze zich bevindt en layoutkeuzen te maken die de lus beschermen tegen overspraak en spanningsgradiënten in het “massa”-gedeelte van de schakeling die de prestaties in gevaar zouden brengen. In bijna alle gevallen wordt dit probleem opgelost door de componenten zorgvuldig op de printplaat te plaatsen, zodat er geen stromen van andere schakelingen door het gebied lopen waar de analoge besluitvormingslus zich bevindt. Voorbeelden van dit soort schakelingen zijn de verbindingen tussen versterkertrappen in een radio of een stereo-installatie

Hantering van EMI
Soms vind ik het nuttig om EMI-ingenieur Bruce Archambeault te citeren wanneer het onderwerp “aarde” ter sprake komt in verband met EMI: “Aarde is een plaats voor aardappelen en wortelen.”

De reden dat zowel Bruce als ik deze uitspraak doen is dat het gebruik van het woord “aarde” in discussies over EMI geen enkele waarde heeft. In feite leidt het ons af van de taak waar het om gaat, namelijk het beheersen van RF-energie die uit onze producten zou kunnen ontsnappen en EMI-storingen zou kunnen veroorzaken.

Anders gezegd, geen van de dingen die aan het begin van dit artikel als grond worden genoemd, hebben enige invloed op EMI-beheersing. De items die belangrijk zijn voor EMI-beheersing zijn schilden op kabels en Faraday-kooien rond de producten, maar die zijn de onderwerpen van een ander artikel.

Er is een zeer grote hoeveelheid verkeerde informatie in de vorm van toepassingsnota’s en richtlijnen met betrekking tot wat aarde is en hoe het te gebruiken. Sommige van deze toepassingsnotities geven aan dat het grondvlak moet worden opgesplitst in een analoge zijde en een digitale zijde en dat de twee zijden slechts op één punt met elkaar zijn verbonden. Anderen suggereren dat er twee discreet verschillende vlakken moeten zijn, het ene analoog en het andere digitaal. Hoe deze twee vlakken moeten worden verbonden, verschilt per toepassingsnota. Mijn ervaring met deze nota’s is dat zij een probleem behandelen waarvan het bestaan niet is bewezen. Het ergste van dergelijke notities is dat ze niet ingaan op het eigenlijke probleem: het beschermen van de besluitvormingslus tegen ruisbronnen van buitenaf.

Overweeg de volgende vragen bij het kiezen van hoe een retournetwerk te ontwerpen.

Bestaat er een echt probleem?
Lost de voorgestelde oplossing het probleem op?
Levert de voorgestelde oplossing een nieuw probleem op, zoals een EMI-probleem?

Als op deze drie vragen geen geldige antwoorden komen, is de kans groot dat de oplossing gewoon verzonnen is en een probleem oplevert, zoals een EMI-probleem, dat er anders misschien niet was geweest. Veel EMI problemen die ik heb opgelost hadden hun oorsprong in gesplitste grondvlakken die ik vaak tegenkwam in kleine diskdrives eind jaren ’90 en begin jaren 2000.

Elektronische systemen hebben netwerken die we aarde noemen en die zowel AC als DC spanningsgradiënten hebben die worden veroorzaakt door de stromen die er doorheen lopen. Ze kunnen dus niet worden beschouwd als equipotentiaal met magische eigenschappen met betrekking tot EMI.

Een PCB heeft geen analoge massaplaat en een digitale massaplaat nodig, omdat het hebben daarvan geen goede werking van het analoge deel van het product garandeert. In plaats daarvan zou het slechts één massavlak moeten hebben dat doorlopend over de hele PCB moet zijn, gevolgd door een zorgvuldig ontwerp van de besluitvormingslus.

Het splitsen van een massavlak vernietigt zijn integriteit als een ultralage impedantieverbinding tussen alle componenten in een circuit en je zou het nooit in een bord moeten ontwerpen. Ik heb meer dan 9.000 studenten in mijn signaal-integriteitsklassen gevraagd of zij voorbeelden hebben waarbij het splitsen van een massaplaat de prestaties verbeterde. Tot op heden heeft geen van hen er een kunnen geven, evenmin als mijn collega’s van ingenieurs. Zoals Kenneth Wyatt opmerkte: “De laatste denktrant (Todd Hubing, Clemson University) is echter dat het het beste is om de retourvlakken als een enkel vlak te houden en voorzichtig te zijn met het leiden van de signaalsporen (rekening houdend met de overeenkomstige retourstromen), zodat ze de A/D-grens niet overschrijden.”

In die zeldzame gevallen waarin het retourvlak moet worden gesplitst voor hoogspanningsisolatiedoeleinden, moeten signalen die de splitsing moeten overschrijden, dit op een zodanige manier doen dat de noodzaak voor een doorlopend retourstroompad niet nodig is. Transformatoren, opto-isolatoren en andere typen isolatoren worden hier vaak voor gebruikt.

Zoals eerder gezegd, is “Chassis” aarde alleen een veiligheidsvoorziening en speelt geen rol in de elektronische functie van de circuits of hun EMI-prestaties. Het is dus niet nodig om de logische massa te verbinden met de “Chassis”-aarde en in sommige gevallen is het niet toegestaan.

Een van de moeilijkste uitdagingen voor een ontwerpingenieur is misschien wel het sorteren van alle verkeerde informatie in gedrukte en online publicaties die onjuist is of, vaak, gewoon is verzonnen door iemand die niet het nodige onderzoek heeft gedaan om ervoor te zorgen dat het gegeven advies technisch geldig is.

Ik hoop dat u dit artikel een goed uitgangspunt vond voor het demystificeren van de dingen die ten onrechte worden aangeduid als “aarde” in PCB- en systeemontwerp.

-Auteurs Ritchey & Knack zijn met Speeding Edge

Uw schakelingen correct aarden

Uw schakelingen correct aarden

admin, Author

Geef een antwoord Antwoord annuleren