Inżynierowie używają słowa „uziemienie” w każdym obwodzie elektronicznym, aby określić część systemu lub struktury, która jest „neutralna” lub ma zerowy potencjał. Niestety, często myślimy o obwodach i systemach, zwłaszcza tych, w których występują zarówno sygnały analogowe jak i cyfrowe, jako posiadających więcej niż jedną masę. Ta koncepcja dała początek niedawnej dyskusji na forum społeczności internetowej zajmującej się integracją sygnałów, która skłoniła nas do napisania tego artykułu. Inżynierowie i projektanci płytek drukowanych często wspominają o różnych rodzajach uziemienia i metodach ich łączenia. Sposób połączenia tych „gruntów”, które tak naprawdę są ścieżkami powrotów, może znacząco wpłynąć na wydajność systemu.

Rodzaje podstaw wymienione w tej dyskusji obejmują:

• Uziemienie logiczne
• Uziemienie analogowe
• Uziemienie podwozia
• Uziemienie bezpieczeństwa
• Uziemienie uziemienia

Metody proponowane do łączenia tych różnych „uziemień” obejmują szeroki zakres opcji, w tym:

• Łączenie ich tylko w jednym punkcie.
• Wycinanie płaszczyzny uziemienia pod komponentem sygnału mieszanego
• Połączenie ich za pomocą kondensatorów.
• Segmentowanie płaszczyzny uziemienia w PCB w taki sposób, że istnieje tylko wąskie połączenie w jednym miejscu pomiędzy analogową i cyfrową stroną projektu.
• Oddzielenie masy analogowej od cyfrowej.

Rysunek 1 Symbol masy logiki cyfrowej widoczny na większości schematów.

Te pozornie sprzeczne metody postępowania z masą mogą być nieco mylące. Zaczniemy od wyjaśnienia, czym jest masa, co powinno zmniejszyć zamieszanie.

Pierwszym pytaniem, jakie można zadać, jest: Jak wszystkie powyższe elementy mogą być uziemieniem? Odpowiedź jest prosta: Żaden z nich nie jest. Uziemienie jest jedynym miejscem w układzie elektronicznym, które jest punktem odniesienia, od którego mierzymy napięcia.

Jeśli to jest jedyna definicja, to czym są te inne rzeczy nazywane uziemieniem?

Uziemienie w logice cyfrowej jest zaciskiem „odniesienia” w zasilaczu dla twojej logiki cyfrowej. W większości systemów logiki cyfrowej jest to ujemny zacisk zasilacza logiki, zwykle przedstawiony za pomocą symbolu na rysunku 1.

Uziemienie analogowe jest zaciskiem referencyjnym zasilacza, który zasila obwód analogowy. Jest to miejsce, w którym jedna strona źródła sygnału analogowego jest związana. Druga strona źródła sygnału jest przywiązana do wejścia lub wyjścia analogowego. Uziemienie analogowe jest zwykle oznaczane symbolem przedstawionym na rysunku 2 .

Rysunek 2 Symbol schematu uziemienia analogowego.

Uziemienie obudowy to nazwa nadana połączeniu przewodu ochronnego z sieci prądu przemiennego do obudowy produktu. Nazwa ta pochodzi od tego, że obudowa produktu jest często nazywana podwoziem. Przewód ten jest zazwyczaj zielonym przewodem w przedłużaczu, w trójżyłowej sieci zasilającej podłączonej do produktu lub trzecim bolcem na złączu prądu zmiennego (okrągłym). Jeśli prześledzisz ten zielony przewód przez budynek, to w końcu połączy się on z miedzianym kołkiem wbitym w ziemię. Celem tego połączenia jest ochrona użytkownika produktu na wypadek, gdyby jeden z przewodów sieciowych przypadkowo połączył się z obudową lub „chassis” produktu. Jest to zatem funkcja związana wyłącznie z bezpieczeństwem.

Schemat uziemienia „podwozia” (rysunek 3).

Czasami inżynierowie EMI błędnie odnoszą się do tego „uziemienia podwozia” (rysunek 3) jako miejsca, które pełni jakąś funkcję w ograniczaniu EMI. To stwierdzenie nigdy nie było i nigdy nie będzie oparte na faktach, ponieważ nie odgrywa ono żadnej roli w tej części konstrukcji elektronicznej.

Uziemienie bezpieczeństwa to inna nazwa używana do opisania uziemienia podwozia. Uziemienie jest inną nazwą dla uziemienia bezpieczeństwa.

Wszystkie te nazwy prowadzą do pytania, jak połączyć obwody „uziemienia” (ścieżki powrotne) razem lub czy powinny być one związane razem w pierwszej kolejności, a jeśli tak, to dlaczego. To pytanie zwykle pojawia się albo na jak chronić wrażliwe sygnały analogowe z zewnętrznych źródeł hałasu lub jak zawierać EMI.

Obsługa sygnałów analogowych
Biorąc problem sygnału analogowego pierwszy, trzeba chronić sygnały analogowe od źródeł hałasu zewnętrznego, które mogłyby pogorszyć wydajność sygnału. Rysunek 4 to przykład typowego mieszanego analogowego i cyfrowego układu scalonego pokazujący dwie strony obwodu z zarówno analogowym pinem uziemienia, jak i cyfrowym pinem uziemienia. Jest on reprezentatywny dla większości problemów podczas projektowania elektroniki mixed-signal.

Czerwone podświetlenie wskazuje na to, co jest nazywane „analogową pętlą decyzyjną”. Jest to obwód, który musi być chroniony przed zewnętrznymi źródłami szumu, aby działał prawidłowo. Układ scalony posiada pin analogowy „masa” i pin cyfrowy „masa”. Musisz zrozumieć jak zastosować te piny, aby uzyskać prawidłowy projekt PCB. Cyfrowa strona tego układu scalonego o mieszanym sygnale ma prądy przejściowe przepływające przez jego wyprowadzenie masy. Prądy te są związane z wewnętrznym cyfrowym przetwarzaniem sygnału analogowego i napędzają wyjściowe linie transmisyjne układu scalonego. Gdyby to był 8-bitowy przetwornik A/D w układzie logicznym z poziomami logicznymi 2,5 V, to prądy przejściowe płynące w tej ścieżce mogłyby wynosić nawet 200 mA. Ten ?I lub szybko zmieniający się prąd płynący przez indukcyjność przewodu masy może wywołać transjenty napięciowe tak duże jak 100 mV pomiędzy masą na PCB i masą na matrycy. Jest to dopuszczalny stan przejściowy dla obwodu logicznego.

Jeśli omawiany układ jest 12-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym, strona analogowa układu ma za zadanie rozstrzygać różnice napięć rzędu 0,5 mV z całkowitego wychylenia sygnału 2 V. Jeśli z układu scalonego jest tylko jedna ścieżka masy, cyfrowy stan przejściowy o wartości 100 mV zostałby nałożony na sygnał analogowy, czyniąc układ bezużytecznym. Dlatego właśnie analogowa strona układu scalonego ma oddzielną ścieżkę masy poza pakietem.

Figura 4 jest typowa dla obwodów, które mają noty aplikacyjne lub inne wytyczne, które określają analogową płaszczyznę uziemienia i cyfrową płaszczyznę uziemienia lub dzielą płaszczyznę uziemienia pod komponentem. Robienie którejkolwiek z tych rzeczy odwraca uwagę od rzeczywistego problemu inżynierskiego, jakim jest ochrona analogowej pętli sygnałowej przed zewnętrznym szumem. (Uwaga: Kierunek strzałki przepływu prądu na Rys. 4 jest kierunkiem przepływu elektronów, które tworzą przepływ prądu.)

Rys. 4 Konwerter analogowo-cyfrowy ma zazwyczaj oddzielne piny dla powrotów analogowych i sygnałowych.

Podzielenie płaszczyzny uziemienia pod komponentem tworzy niepożądany efekt uboczny. Sygnały, które muszą przejść z jednej strony cięcia na drugą, nie mają ścieżki dla swojego prądu powrotnego. Prąd ten znajdzie inną drogę powrotu do swojego źródła, co może prowadzić do problemów z integralnością sygnału lub EMI.

Zakłócenia wchodzą do pętli sygnału analogowego na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest sprzężenie po obu stronach pętli poprzez sprzężenie pojemnościowe lub magnetyczne z sąsiedniego sygnału, który przemieszcza się zbyt blisko (zwykle nazywamy to przesłuchami). Przesłuch może być generowany przez składową elektryczną pola EM (przesłuchy pojemnościowe) lub składową magnetyczną pola EM (przesłuchy indukcyjne). Która forma istnieje zależy od konfiguracji dwóch przewodników, które są obok siebie.)

Drugi sposób, że szum może wpływać na obwody analogowe jest przez umożliwienie „masy” stronie ścieżki być dzielone przez inny sygnał. Zwykle dzieje się tak, gdy połączenie między źródłem analogowym a analogowym pinem „masy” urządzenia jest wykonane do płaszczyzny uziemienia w pewnej odległości od części. W większości przypadków oba te problemy są rozwiązywane przy użyciu ekranowanego kabla, który ma swoje dwa połączenia wykonane na zaciskach układu scalonego, jedno połączenie jest ekranem, który łączy się z zaciskiem „masy analogowej” urządzenia i środkowym przewodnikiem, który łączy się ze stroną wejściową urządzenia analogowego. Przykłady tego typu obwodów to:

• Połączenie między głowicą odczytującą w napędzie dysków a przedwzmacniaczem
• Połączenie między czujnikiem tensometrycznym a wzmacniaczem wejściowym
• Połączenie między igłą gramofonową a przedwzmacniaczem wejściowym (tylko starzy wyjadacze o tym wiedzą!)

Przykład na rysunku 4 dotyczy systemu, w którym źródło analogowe jest „poza płytą”. Kiedy zarówno źródło jak i obciążenie znajdują się na tej samej płytce PCB, właściwym sposobem postępowania z „pętlą analogową” jest sprawdzenie gdzie się ona znajduje i dokonanie wyboru układu, który chroni pętlę przed przesłuchami i gradientami napięcia w części „masy” obwodu, które mogłyby pogorszyć wydajność. W prawie wszystkich przypadkach, problem ten jest rozwiązywany poprzez staranne rozmieszczenie elementów na powierzchni płytki drukowanej, tak aby żadne prądy z innych obwodów nie przepływały przez region, w którym znajduje się analogowa pętla decyzyjna. Przykładami tego typu obwodów są połączenia między stopniami wzmacniaczy w radiu lub systemie stereo

Obsługa EMI
Czasami uważam za użyteczne zacytowanie inżyniera EMI Bruce’a Archambeaulta, gdy pojawia się temat uziemienia w odniesieniu do EMI: „Uziemienie to miejsce dla ziemniaków i marchewki.”

Powodem, dla którego zarówno Bruce, jak i ja wygłaszamy to stwierdzenie, jest to, że używanie słowa „uziemienie” w dyskusjach o EMI nie ma żadnej wartości. W rzeczywistości odwraca naszą uwagę od zadania, jakim jest ograniczenie energii RF, która może uciec z naszych produktów i spowodować awarię EMI.

Mówiąc inaczej, żadna z rzeczy wymienionych na początku tego artykułu jako uziemienie nie ma wpływu na ograniczenie EMI. Pozycje, które są ważne dla EMI containment to ekrany na kablach i klatki Faradaya otaczające produkty, ale są to tematy na inny artykuł.

Istnieje bardzo duża ilość błędnych informacji w formie not aplikacyjnych i wytycznych w odniesieniu do tego, czym jest uziemienie i jak go używać. Niektóre z tych not aplikacyjnych wskazują, że płaszczyzna uziemienia powinna być podzielona na stronę analogową i stronę cyfrową, a te dwie strony połączone tylko w jednym punkcie. Inne sugerują, że powinny być dwie dyskretnie różne płaszczyzny, jedna analogowa, a druga cyfrowa. Jak te dwie płaszczyzny mają być połączone różni się w zależności od noty aplikacyjnej. Moje doświadczenie z tymi notatkami jest takie, że traktują one o problemie, którego istnienia nie udowodniono. Najgorsze w takich notatkach jest to, że nie zajmują się faktycznym problemem: ochroną pętli decyzyjnej przed zewnętrznymi źródłami szumu.

Przy wyborze sposobu projektowania sieci powrotnej należy rozważyć następujące pytania.

• Czy istnieje rzeczywisty problem?
• Czy proponowane rozwiązanie rozwiązuje problem?
• Czy proponowane rozwiązanie tworzy nowy problem, taki jak problem EMI?

Jeśli na te trzy pytania nie ma prawidłowych odpowiedzi, są szanse, że rozwiązanie jest po prostu wymyślone i może stworzyć problem, taki jak problem EMI, który w przeciwnym razie mógłby nie istnieć. Wiele problemów EMI, które rozwiązałem, miało swoje źródła w dzielonych płaszczyznach uziemienia, które często napotykałem w małych napędach dyskowych w późnych latach 90-tych i wczesnych latach 2000.

Systemy elektroniczne mają sieci, które nazywamy uziemieniem, które mają zarówno AC jak i DC gradienty napięcia spowodowane przez prądy, które w nich płyną. Dlatego nie można ich uznać za ekwipotencjalne o magicznych właściwościach w odniesieniu do EMI.

Płytka drukowana nie potrzebuje analogowej płaszczyzny uziemienia i cyfrowej płaszczyzny uziemienia, ponieważ ich posiadanie nie gwarantuje prawidłowego działania analogowej części produktu. Zamiast tego powinna mieć tylko jedną płaszczyznę uziemienia, która powinna być ciągła na całej płytce PCB, a następnie starannie zaprojektowana pętla decyzyjna.

Podzielenie płaszczyzny uziemienia niszczy jej integralność jako połączenia o ultraniskiej impedancji pomiędzy wszystkimi komponentami w obwodzie i nigdy nie należy jej projektować na płytce. Zapytałem ponad 9000 studentów na moich zajęciach z całkowania sygnałów, czy mają przykłady, gdzie podział płaszczyzny uziemienia poprawił wydajność. Do tej pory żaden z nich nie był w stanie podać takiego przykładu, podobnie jak żaden z moich kolegów inżynierów. Jak zauważył Kenneth Wyatt, „Najnowsza myśl (Todd Hubing, Clemson University) jest jednak taka, że najlepiej jest utrzymywać płaszczyznę powrotną jako pojedynczą płaszczyznę i uważać na prowadzenie ścieżek sygnałowych (pamiętając o odpowiednich prądach powrotnych), aby nie przekraczały one granicy A/D.”

W tych rzadkich przypadkach, gdy płaszczyzna powrotna musi być podzielona dla celów izolacji wysokiego napięcia, sygnały, które muszą przekroczyć podział będą musiały to zrobić w taki sposób, że potrzeba ciągłej ścieżki prądu powrotnego nie jest wymagana. Transformatory, optoizolatory i inne rodzaje izolatorów są tu często stosowane.

Jak stwierdzono wcześniej, uziemienie „Chassis” jest cechą wyłącznie bezpieczeństwa i nie odgrywa żadnej roli w elektronicznych funkcjach obwodów ani w ich parametrach EMI. Dlatego nie ma potrzeby podłączania masy układu logicznego do masy „Chassis”, a w niektórych przypadkach jest to niedozwolone.

Jednym z najtrudniejszych wyzwań, przed jakimi staje inżynier projektant, jest przebrnięcie przez wszystkie błędne informacje w druku i w Internecie, które są niedokładne lub, często, po prostu zmyślone przez kogoś, kto nie wykonał niezbędnych badań w celu zapewnienia, że podane porady są technicznie ważne.

Mam nadzieję, że ten artykuł jest dobrym punktem wyjścia do wyjaśnienia kwestii błędnie określanych jako „uziemienie” w projektach PCB i systemów.

• Mit zwany „uziemieniem”
• Iluzja uziemienia: Nie pozwól, by powróciło, by cię dopaść
• Przekraczanie rzeki: Niebezpieczeństwa związane z przekraczaniem szczeliny split-plane z sygnałem o dużej prędkości
• Nieciągłości ścieżki powrotnej i EMI: Zrozumieć związek
• EMI i emisje: zasady, przepisy i opcje
• Uziemienie i ekranowanie: No size fits all
• EMI i emisje: zasady, przepisy i opcje
• Odpowiedzi na pytania dotyczące EMC (część 7)
• Successful PCB grounding with mixed-signal chips – Part 1: Zasady przepływu prądu
• Ten best practices of PCB design
• Pytania dotyczące płyt PC do łagodzenia EMC
• Zrozumienie sygnałów typu common-mode
• Sprzężenie sygnałów PCB może być problemem
• Designer’s Notebook: Izolacja sygnałów

.