Inginerii folosesc cuvântul „pământ” în fiecare circuit electronic pentru a desemna o parte a unui sistem sau a unei structuri care este „neutră” sau cu potențial zero. Din păcate, ne gândim adesea că circuitele și sistemele, în special cele cu semnale atât analogice, cât și digitale, au mai mult de o masă. Acest concept a dat naștere unei discuții recente într-o comunitate online de integritate a semnalelor, care ne-a determinat să scriem acest articol. Inginerii și proiectanții de PCB-uri menționează adesea diferite tipuri de împământare și metode de conectare a acestora. Modul în care se conectează aceste „mase”, care sunt de fapt căi de retur, poate afecta semnificativ performanța unui sistem.

Tipurile de împământare menționate în această discuție includ:

• Măgura logică
• Măgura analogică
• Măgura șasiului
• Măgura de siguranță
• Măgura pământului

Metodele propuse pentru conectarea acestor diverse „mase” acoperă o gamă largă de opțiuni, inclusiv:

• Conectarea lor într-un singur punct.
• Cuplarea planului de masă sub o componentă de semnal mixt
• Conectarea lor cu condensatoare.
• Segmentarea planului de masă într-o placă de circuit imprimat astfel încât să existe doar o conexiune îngustă într-un singur loc între părțile analogică și digitală ale proiectului.
• Separând împământarea analogică și cea digitală.

Figura 1 Simbolul de împământare logică digitală văzut în majoritatea diagramelor schematice.

Aceste metode aparent conflictuale de tratare a împământării pot fi puțin confuze. Vom începe prin a clarifica ce este masa, ceea ce ar trebui să reducă confuzia.

Prima întrebare pe care v-ați putea-o pune este: Cum pot toate elementele de mai sus să fie pământ? Răspunsul este simplu: Nici unul dintre ele nu este. Masa este singurul loc dintr-un sistem electronic care este un punct de referință de la care măsurăm tensiunile.

Dacă aceasta este singura definiție, atunci ce sunt aceste alte lucruri numite masă?

Masa logică digitală este terminalul de „referință” al unei surse de alimentare pentru logica dumneavoastră digitală. Pentru majoritatea sistemelor logice digitale, este borna negativă a sursei de alimentare logică, reprezentată de obicei cu simbolul din figura 1 .

Măgura analogică este borna de referință a sursei care alimentează un circuit analogic. Este locul unde este legată o parte a unei surse de semnal analogic. Cealaltă parte a sursei de semnal este legată la intrarea sau ieșirea analogică. Masa analogică este de obicei desemnată cu simbolul din figura 2.

Figura 2 Simbolul schematic al masei analogice.

Masa șasiului este denumirea dată conexiunii firului de siguranță de la rețeaua de curent alternativ la carcasa unui produs. Ea primește acest nume deoarece carcasa unui produs este adesea numită șasiu. Acest fir este, de obicei, firul verde dintr-un prelungitor, în rețeaua cu trei fire care se conectează la un produs sau al treilea pin de pe un conector de curent alternativ (cel rotund). Dacă urmăriți acest fir verde printr-o clădire, acesta se va conecta în cele din urmă la un țăruș de cupru înfipt în pământ. Scopul acestei conexiuni este de a proteja operatorul produsului în cazul în care unul dintre firele de rețea face accidental o conexiune cu carcasa sau „șasiul” produsului. Astfel, este o funcție exclusiv de siguranță.

Figura 3 Simbolul schematic al împământării „șasiului”.

Oriceori, inginerii EMI se referă în mod eronat la această „împământare a șasiului” (figura 3 ) ca la un loc care are o anumită funcție în izolarea EMI. Această afirmație nu s-a bazat niciodată și nu se va baza niciodată pe fapte, deoarece nu are nici un rol în această parte a unui proiect electronic.

Safety ground (masă de siguranță) este un alt nume folosit pentru a descrie masa șasiului. Pământul este un alt nume pentru masa de siguranță.

Toate aceste denumiri conduc la întrebarea cum să conectați împreună circuitele de „masă” (căile de întoarcere) sau dacă ar trebui să fie legate împreună în primul rând și, dacă da, de ce. Această întrebare apare, de obicei, fie cu privire la modul de a proteja semnalele analogice sensibile de sursele de zgomot exterior, fie cu privire la modul de a conține EMI.

Manipularea semnalelor analogice
Să luăm mai întâi problema semnalelor analogice, trebuie să protejăm semnalele analogice de sursele de zgomot exterior care ar putea degrada performanța semnalului. Figura 4 este un exemplu de circuit integrat mixt analogic și digital tipic, care arată cele două părți ale circuitului cu un pin de masă analogic și un pin de masă digital. Este reprezentativ pentru majoritatea problemelor atunci când se proiectează electronice cu semnale mixte.

Sublinierea roșie indică ceea ce se numește „bucla de decizie analogică”. Acesta este circuitul care trebuie să fie protejat de sursele de zgomot din exterior pentru ca circuitul să funcționeze corect. Circuitul integrat are un pin de „masă” analogic și un pin de „masă” digital. Trebuie să înțelegeți cum să aplicați acești pini pentru a ajunge la un design PCB adecvat. Partea digitală a acestui circuit integrat cu semnal mixt are curenți tranzitorii care circulă prin conductorul său de masă. Acești curenți sunt asociați cu procesarea digitală internă a semnalului analogic și conduc liniile de transmisie de ieșire ale circuitului integrat. Dacă ar fi vorba de un convertor A/D pe 8 biți într-un sistem logic cu niveluri logice de 2,5 V, curentul tranzitoriu care circulă pe această cale ar putea fi de până la 200 mA. Acest curent ?I sau curentul care se schimbă rapid care circulă prin inductanța cablului de masă poate dezvolta tranzitorii de tensiune de până la 100 mV între masa de pe PCB și masa de pe cip. Acesta este un tranzitoriu acceptabil pentru circuitul logic.

Dacă circuitul în discuție este un convertor A/D pe 12 biți, partea analogică a circuitului are sarcina de a rezolva diferențe de tensiune de 0,5 mV dintr-o oscilație totală a semnalului de 2 V. Dacă există o singură cale de împământare în afara circuitului integrat, tranzitoriul de comutare digitală de 100 mV se va suprapune peste semnalul analogic, făcând circuitul inutil. Acesta este motivul pentru care partea analogică a circuitului integrat are o cale de masă separată pentru a ieși din capsulă.

Figura 4 este tipică pentru circuitele care au note de aplicare sau alte orientări care specifică un plan de masă analogic și un plan de masă digital sau separarea planului de masă sub componentă. Efectuarea oricăruia dintre aceste lucruri distrage atenția de la problema inginerească reală de a proteja bucla de semnal analogic de zgomotul extern. (Notă: Direcția săgeții fluxului de curent din Fig. 4 este direcția fluxului de electroni care alcătuiesc fluxul de curent.)

Figura 4 Un convertor analog-digital are de obicei pini separați pentru retururile analogice și de semnal.

Spargerea planului de masă sub componentă creează un efect secundar nedorit. Semnalele care trebuie să treacă de la o parte la alta a tăieturii nu au o cale pentru curentul lor de întoarcere. Acel curent va găsi o altă cale pentru a se întoarce la sursa sa, ceea ce poate duce la probleme de integritate a semnalului sau EMI.

Zgomotul intră în bucla de semnal analogic în două moduri. Primul este prin cuplarea în fiecare parte a buclei prin cuplaj capacitiv sau magnetic de la un semnal adiacent care călătorește prea aproape (de obicei numim acest lucru diafonie). Diafonia poate fi generată de componenta electrică a unui câmp electromagnetic (diafonie capacitivă) sau de componenta magnetică a câmpului electromagnetic (diafonie inductivă). Ce formă există depinde de configurația celor doi conductori care se află unul lângă celălalt.)

Al doilea mod în care zgomotul poate afecta circuitele analogice este acela de a permite ca partea de „masă” a traseului să fie împărtășită de un alt semnal. Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când conexiunea dintre sursa analogică și pinul analogic de „masă” al dispozitivului se face la planul de masă la o anumită distanță de piesă. În cele mai multe cazuri, ambele probleme sunt rezolvate prin utilizarea unui cablu ecranat care are cele două conexiuni realizate la bornele circuitului integrat, una dintre conexiuni fiind ecranul care se conectează la borna „masă analogică” a dispozitivului și conductorul central care se conectează la partea de intrare a dispozitivului analogic. Exemple de acest tip de circuit sunt:

• Conexiunea dintre capul de citire de pe o unitate de disc și preamplificatorul
• Conexiunea dintre o măsură de tensiune și amplificatorul de intrare
• Conexiunea dintre un ac de fonograf și preamplificatorul de intrare (numai bătrânii știu despre asta!)

Exemplul din figura 4 se referă la un sistem în care sursa analogică este „off board”. Atunci când atât sursa, cât și sarcina se află pe aceeași placă de circuit imprimat, modul corect de abordare a „buclei analogice” este de a privi unde se află aceasta și de a face alegeri de dispunere care să protejeze bucla de diafonie și de gradienți de tensiune în partea de „masă” a circuitului care ar compromite performanța. În aproape toate cazurile, această problemă este rezolvată prin alegerea unei poziționări atente a componentelor pe suprafața PCB, astfel încât să nu treacă curenți de la alte circuite prin regiunea în care se află bucla analogică de luare a deciziilor. Exemple de acest tip de circuit sunt conexiunile dintre etajele de amplificare într-un radio sau într-un sistem stereo

Manipularea EMI
Cîteodată găsesc util să îl citez pe inginerul EMI Bruce Archambeault atunci cînd apare subiectul împămîntului în legătură cu EMI: „Pămîntul este un loc pentru cartofi și morcovi.”

Motivul pentru care atît eu cît și Bruce facem această afirmație este că folosirea cuvîntului „împămînt” în discuțiile despre EMI nu are nici o valoare. De fapt, ne distrage atenția de la sarcina care ne stă la îndemână, care este aceea de a conține energia RF care ar putea scăpa din produsele noastre și ar putea crea o defecțiune EMI.

Discutat altfel, niciunul dintre lucrurile enumerate ca terenuri la începutul acestui articol nu are nicio legătură cu izolarea EMI . Elementele care sunt importante pentru izolarea EMI sunt scuturile de pe cabluri și cuștile Faraday care înconjoară produsele, dar acestea sunt subiectele unui alt articol.

Există un volum foarte mare de informații eronate sub formă de note de aplicare și ghiduri cu privire la ceea ce este împământarea și la modul de utilizare a acesteia. Unele dintre aceste note de aplicare indică faptul că planul de masă ar trebui să fie segmentat într-o parte analogică și o parte digitală, iar cele două părți să fie conectate într-un singur punct. Altele sugerează că trebuie să existe două planuri discret diferite, unul analogic și celălalt digital. Modul în care trebuie conectate aceste două planuri variază în funcție de fiecare notă de aplicare. Experiența mea cu aceste note este că ele tratează o problemă a cărei existență nu a fost dovedită. Cel mai rău lucru la astfel de note este că nu abordează problema reală: protejarea buclei decizionale de sursele de zgomot externe.

Considerați următoarele întrebări atunci când alegeți cum să proiectați o rețea de retur.

• Există o problemă reală?
• Soluția propusă rezolvă problema?
• Soluția propusă creează o nouă problemă, cum ar fi o problemă EMI?

Dacă aceste trei întrebări nu au răspunsuri valide, există șanse ca soluția să fie pur și simplu inventată și este foarte posibil să creeze o problemă, cum ar fi o problemă EMI, care altfel nu ar exista. Multe dintre problemele EMI pe care le-am rezolvat își aveau originea în planurile de masă divizate, pe care le-am întâlnit adesea la unitățile mici de discuri la sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000.

Sistemele electronice au rețele pe care le numim masă care au atât gradienți de tensiune de curent alternativ, cât și de curent continuu, cauzate de curenții care circulă în ele. Astfel, ele nu pot fi considerate echipotențiale cu proprietăți magice în ceea ce privește EMI.

Un PCB nu are nevoie de un plan de masă analogic și de un plan de masă digital, deoarece existența lor nu garantează funcționarea corectă a secțiunii analogice a produsului. În schimb, ar trebui să aibă un singur plan de masă care ar trebui să fie continuu pe tot circuitul imprimat, urmat de o proiectare atentă a buclei de luare a deciziilor.

Spargerea unui plan de masă îi distruge integritatea ca o conexiune de impedanță foarte joasă între toate componentele unui circuit și nu ar trebui să o proiectați niciodată într-o placă. Am întrebat mai mult de 9.000 de studenți la cursurile mele de integritate a semnalelor dacă au exemple în care divizarea unui plan de masă a îmbunătățit performanța. Până în prezent, niciunul nu a fost în măsură să prezinte unul și nici unul dintre colegii mei ingineri. După cum a remarcat Kenneth Wyatt, „Cu toate acestea, cea mai recentă părere (Todd Hubing, Universitatea Clemson) este că cel mai bine este să păstrați planurile de retur ca un singur plan și să fiți atenți la rutarea traseelor de semnal (ținând cont de curenții de retur corespunzători), astfel încât acestea să nu traverseze granița A/D.”

În acele cazuri rare în care planul de retur trebuie să fie divizat în scopuri de izolare de înaltă tensiune, semnalele care trebuie să traverseze divizarea vor trebui să o facă în așa fel încât să nu fie nevoie de o cale continuă de curent de retur. Transformatoarele, optoizolatoarele și alte tipuri de izolatoare sunt adesea folosite în acest caz.

După cum s-a spus mai devreme, masa „șasiului” este o caracteristică exclusiv de siguranță și nu are niciun rol în funcția electronică a circuitelor sau în performanța lor EMI. Astfel, nu este necesar să se conecteze masa logică la masa „Șasiului” și, în unele cazuri, acest lucru nu este permis.

Poate una dintre cele mai dificile provocări cu care se confruntă un inginer de proiectare este sortarea tuturor informațiilor eronate din presa scrisă și online care sunt inexacte sau, adesea, pur și simplu inventate de cineva care nu a făcut cercetările necesare pentru a se asigura că sfaturile oferite sunt valide din punct de vedere tehnic.

Sper că ați găsit în acest articol un bun punct de plecare pentru demistificarea lucrurilor denumite în mod eronat „masă” în proiectarea PCB și a sistemelor.

• Mitul numit „masă”
• Iluzia masei: Nu o lăsa să se întoarcă să te prindă
• Traversarea râului: Pericolele traversării unui decalaj de plan divizat cu un semnal de mare viteză
• Discontinuități ale căii de întoarcere și EMI: Înțelegeți relația
• EMI și emisii: reguli, reglementări și opțiuni
• Grounding și ecranare: Nici o mărime nu se potrivește tuturor
• EMI și emisii: reguli, reglementări și opțiuni
• Răspunsuri la întrebări EMC (partea 7)
• Succesul împământării PCB cu cipuri cu semnale mixte – Partea 1: Principiile fluxului de curent
• Zece cele mai bune practici de proiectare a PCB-urilor
• Întrebări privind plăcile PC pentru atenuarea EMC
• Înțelegerea semnalelor de mod comun
• Cuplarea semnalelor PCB poate fi o problemă
• Caietul proiectantului: Izolarea semnalelor

.