Ingenjörer använder ordet ”jord” i alla elektroniska kretsar för att beteckna en del av ett system eller en struktur som är ”neutral” eller har noll potential. Tyvärr tänker vi ofta på kretsar och system, särskilt sådana med både analoga och digitala signaler, som har mer än en jord. Detta begrepp gav upphov till en diskussion nyligen i ett online-community för signalintegritet, vilket fick oss att skriva den här artikeln. Ingenjörer och PCB-konstruktörer nämner ofta olika typer av jordar och metoder för att ansluta dem till varandra. Hur dessa ”jordar”, som egentligen är returvägar, ansluts kan påverka ett systems prestanda avsevärt.

De typer av jordar som nämns i den här diskussionen inkluderar:

• Logisk jord
• Analog jord
• Chassijord
• Säkerhetsjord
• Jordjord

Metoder som föreslås för att koppla ihop dessa olika ”jordar” täcker ett brett spektrum av alternativ, bland annat:

• Koppla ihop dem på bara en punkt.
• Skära av jordplanet under en blandad signalkomponent
• Koppla ihop dem med kondensatorer.
• Segmentera jordplanet i ett kretskort så att det bara finns en smal förbindelse på ett ställe mellan den analoga och den digitala sidan av konstruktionen.
• Separera de analoga och digitala jordarna.

Figur 1 Digital logisk jordsymbol som ses i de flesta schematiska diagram.

Dessa till synes motsägelsefulla metoder för att hantera jord kan vara lite förvirrande. Vi börjar med att klargöra vad jord är, vilket bör minska förvirringen.

Den första frågan som du kanske ställer dig är: Hur kan alla ovanstående objekt vara jord? Svaret är enkelt: Ingen av dem är det. Jord är den enda plats i ett elektroniskt system som är en referenspunkt från vilken vi mäter spänningar.

Om det är den enda definitionen, vad är då dessa andra saker som kallas jord?

Digitala logikens jord är ”referens”-terminalen på en strömförsörjning för din digitala logik. För de flesta digitala logiksystem är det den negativa terminalen på logikens strömförsörjning, som vanligtvis visas med symbolen i figur 1 .

Analog jord är referensterminalen på den strömförsörjning som driver en analog krets. Det är där den ena sidan av en analog signalkälla är kopplad. Den andra sidan av signalkällan är kopplad till den analoga ingången eller utgången. Analog jord betecknas vanligen med symbolen i figur 2 .

Figur 2 Schematisk symbol för analog jord.

Chassijord är benämningen på anslutningen av säkerhetskabeln från växelströmsnätet till en produkts hölje. Det får detta namn eftersom en produkts hölje ofta kallas för chassi. Den här ledningen är vanligtvis den gröna ledningen i en förlängningssladd, i det tretrådiga elnätet som ansluts till en produkt eller den tredje pinnen på en växelströmsanslutning (den runda). Om du spårar denna gröna tråd genom en byggnad kommer den slutligen att anslutas till en kopparstolpe som är nedgrävd i jorden. Syftet med denna anslutning är att skydda operatören av produkten i händelse av att en av nätledningarna av misstag gör en anslutning till produktens hölje eller ”chassi”. Det är alltså en ren säkerhetsfunktion.

Figur 3 Schematisk symbol för ”Chassi”-jord.

Ibland hänvisar EMI-ingenjörer felaktigt till denna ”Chassi-jord” (figur 3 ) som en plats som har någon funktion i inneslutningen av EMI. Detta påstående har aldrig och kommer aldrig att vara baserat på fakta eftersom det inte har någon roll i denna del av en elektronisk konstruktion.

Säkerhetsjord är ett annat namn som används för att beskriva chassijord. Jordjord är ett annat namn för säkerhetsjord.

Alla dessa namn leder till frågan om hur dina ”jord”-kretsar (returvägar) ska kopplas samman eller om de överhuvudtaget ska kopplas samman och i så fall varför. Denna fråga uppstår vanligtvis antingen om hur känsliga analoga signaler ska skyddas från yttre bullerkällor eller hur EMI ska innehållas.

Hantering av analoga signaler
Om man tar det analoga signalproblemet först måste man skydda analoga signaler från yttre bullerkällor som kan försämra signalprestanda. Figur 4 är ett exempel på en typisk blandad analog och digital IC som visar de två sidorna av kretsen med både en analog jordstift och en digital jordstift. Det är representativt för de flesta problem när man konstruerar elektronik med blandade signaler.

Den röda markeringen visar vad som kallas ”den analoga beslutsslingan”. Detta är den krets som måste skyddas från yttre bullerkällor för att kretsen ska fungera korrekt. IC:n har en analog ”jord”-stift och en digital ”jord”-stift. Du måste förstå hur du ska använda dessa stift för att komma fram till en korrekt kretskortskonstruktion. Den digitala sidan av den här IC:n med blandade signaler har transienta strömmar som flyter genom dess jordkabel. Dessa strömmar är förknippade med den interna digitala bearbetningen av den analoga signalen och de driver IC:s utgångsöverföringsledningar. Om detta var en 8-bitars A/D-omvandlare i ett logiskt system med logiska nivåer på 2,5 V kan de transienta strömmar som flödar i denna väg vara så stora som 200 mA. Denna ?I eller snabbt förändrade ström som flyter genom jordledningsinduktansen kan utveckla spänningsövergångar som är så stora som 100 mV mellan jord på kretskortet och jord på matrisen. Detta är en acceptabel transient för logikkretsen.

Om kretsen som diskuteras är en 12-bitars A/D-omvandlare har kretsens analoga sida till uppgift att lösa upp spänningsskillnader på 0,5 mV av ett totalt signalutslag på 2 V. Om det bara finns en jordväg ut ur IC:n skulle den 100 mV stora digitala omkopplingstransienten överlagra den analoga signalen, vilket skulle göra kretsen värdelös. Detta är anledningen till att den analoga sidan av integreringen har en separat jordväg ut ur paketet.

Figur 4 är typisk för kretsar som har tillämpningsanvisningar eller andra riktlinjer som specificerar ett analogt jordplan och ett digitalt jordplan eller som delar upp jordplanet under komponenten. Att göra någon av dessa saker avleder från det egentliga tekniska problemet att skydda den analoga signalslingan från externt brus. (Observera: Riktningen på pilen för strömflödet i figur 4 är flödet av de elektroner som utgör strömflödet.)

Figur 4 En analog-digitalomvandlare har vanligtvis separata stift för analoga och signalreturer.

Avdelning av jordplanet under komponenten skapar en oönskad bieffekt. Signaler som måste passera från den ena sidan av snittet till den andra har ingen väg för sin returström. Den strömmen hittar ett annat sätt att återvända till sin källa, vilket kan leda till problem med signalintegritet eller EMI.

Brus kommer in i den analoga signalslingan på två sätt. Det första är genom koppling till endera sidan av slingan genom kapacitiv eller magnetisk koppling från en intilliggande signal som färdas för nära (vi brukar kalla detta för crosstalk). Överhörning kan genereras av den elektriska komponenten av ett EM-fält (kapacitiv överhörning) eller den magnetiska komponenten av EM-fältet (induktiv överhörning). Vilken form som existerar beror på konfigurationen av de två ledarna som ligger bredvid varandra.)

Det andra sättet som brus kan påverka analoga kretsar är genom att låta den ”jordade” sidan av vägen delas av en annan signal. Detta sker vanligtvis när anslutningen mellan den analoga källan och enhetens analoga ”jord”-stift görs till jordplanet en bit bort från delen. I de flesta fall åtgärdas båda dessa problem genom att använda en skärmad kabel som har sina två anslutningar gjorda vid IC-terminalerna, där den ena anslutningen är skärmen som ansluts till enhetens ”analoga jord”-terminal och mittledaren som ansluts till den analoga enhetens ingångssida. Exempel på denna typ av krets är:

• Förbindelsen mellan läshuvudet på en skivenhet och förförstärkaren
• Förbindelsen mellan ett töjningsmått och ingångsförstärkaren
• Förbindelsen mellan en grammofonnål och ingångsförförstärkaren (det är bara gamla människor som känner till det här!)

Exemplet i figur 4 handlar om ett system där den analoga källan är ”off board”. När både källan och belastningen finns på samma kretskort är det korrekta sättet att hantera den ”analoga slingan” att titta på var den finns och göra layoutval som skyddar slingan från överhörning och spänningsgradienter i den ”jordade” delen av kretsen som skulle försämra prestandan. I nästan alla fall hanteras detta problem genom att man väljer att noggrant placera komponenterna på kretskortets yta så att inga strömmar från andra kretsar flödar genom det område där den analoga beslutsslingan är placerad. Exempel på denna typ av kretsar är anslutningarna mellan förstärkarsteg i en radio eller stereoanläggning

Hantering av EMI
Ibland tycker jag att det är användbart att citera EMI-ingenjören Bruce Archambeault när ämnet jord kommer upp i samband med EMI: ”Jord är en plats för potatis och morötter.”

Anledningen till att både Bruce och jag gör detta påstående är att det inte har något värde att använda ordet ”jord” i diskussioner om EMI. Faktum är att det distraherar oss från den uppgift vi har framför oss, nämligen att innehålla RF-energi som kan komma att flyga ut ur våra produkter och skapa ett EMI-fel.

Sagt på ett annat sätt, ingen av de saker som räknas upp som jord i början av den här artikeln har någon betydelse för EMI-inlåsning . De saker som är viktiga för EMI-avgränsning är sköldar på kablar och Faradayburar som omger produkterna, men dessa är ämnen som behandlas i en annan artikel.

Det finns en mycket stor mängd felaktig information i form av tillämpningsanvisningar och riktlinjer när det gäller vad jord är och hur den skall användas. Vissa av dessa tillämpningsanvisningar anger att jordplanet ska delas upp i en analog sida och en digital sida och att de två sidorna ska anslutas i endast en punkt. Andra föreslår att det skall finnas två diskret skilda plan, ett analogt och ett digitalt. Hur dessa två plan skall anslutas varierar med varje tillämpningsanvisning. Min erfarenhet av dessa anteckningar är att de behandlar ett problem som inte har bevisats existera. Det värsta med sådana anteckningar är att de inte behandlar det egentliga problemet: att skydda beslutsslingan från yttre bruskällor.

Tänk på följande frågor när du väljer hur du ska utforma ett returnätverk.

• Finns det ett verkligt problem?
• Lösar den föreslagna lösningen problemet?
• Skapar den föreslagna lösningen ett nytt problem, t.ex. ett EMI-problem?

Om dessa tre frågor inte har giltiga svar är chansen stor att lösningen helt enkelt är påhittad och kan mycket väl skapa ett problem, t.ex. ett EMI-problem, som annars kanske inte skulle finnas. Många EMI-problem som jag har löst hade sitt ursprung i delade jordplan som jag ofta stötte på i små skivspelare i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet.

Elektroniska system har nätverk som vi kallar jord och som har både växel- och likspänningsgradienter orsakade av de strömmar som flyter i dem. Därför kan de inte betraktas som ekvipotentiella med magiska egenskaper med avseende på EMI.

En PCB behöver inte ett analogt jordplan och ett digitalt jordplan eftersom det inte garanterar att den analoga delen av produkten fungerar korrekt om man har dem. Istället bör den ha endast ett jordplan som bör vara kontinuerligt i hela kretskortet, följt av en noggrann utformning av beslutsslingan.

Att dela upp ett jordplan förstör dess integritet som en ultralåg impedansförbindelse mellan alla komponenter i en krets och du bör aldrig konstruera det i ett kretskort. Jag har frågat mer än 9 000 studenter i mina signalintegritetskurser om de har exempel där delning av ett jordplan har förbättrat prestandan. Hittills har ingen av dem kunnat presentera något exempel och det har inte heller någon av mina ingenjörskollegor gjort. Som Kenneth Wyatt noterade: ”Det senaste tänkandet (Todd Hubing, Clemson University) är dock att det är bäst att behålla returplanet som ett enda plan och vara försiktig med att dirigera signalspåren (med motsvarande returströmmar i åtanke), så att de inte korsar A/D-gränsen.”

I de sällsynta fall där returplanet måste delas upp av högspänningsisoleringsskäl måste de signaler som måste korsa uppdelningen göra det på ett sådant sätt att det inte krävs någon kontinuerlig returströmsväg. Transformatorer, optoisolatorer och andra typer av isolatorer används ofta här.

Som tidigare nämnts är ”Chassi”-jord endast en säkerhetsfunktion och har ingen betydelse för kretsarnas elektroniska funktion eller deras EMI-prestanda. Det finns således inget behov av att ansluta logikjord till ”Chassi”-jord och i vissa fall är det inte tillåtet.

Kanske en av de svåraste utmaningarna som en konstruktör ställs inför är att sortera bland all den felaktiga information som finns i tryckt form och på nätet och som är felaktig eller, ofta, helt enkelt är påhittad av någon som inte har gjort den nödvändiga forskningen för att se till att de råd som ges är tekniskt giltiga.

Jag hoppas att du fann den här artikeln som en bra utgångspunkt för att avmystifiera de saker som felaktigt kallas ”jord” i PCB- och systemkonstruktion.

• Myten som kallas ”ground”
• The ground illusion: Låt den inte komma tillbaka och ta dig
• Över floden: Farorna med att korsa ett gap med delat plan med en höghastighetssignal
• Returbanans diskontinuiteter och EMI: Förstå sambandet
• EMI och emissioner: regler, förordningar och alternativ
• Grounding och avskärmning: Ingen storlek passar alla
• EMI och emissioner: regler, förordningar och alternativ
• EMC-frågor besvarade (del 7)
• Succesfull PCB-jordning med chip med blandade signaler – del 1: Principer för strömflöde
• Ten bästa metoder för PCB-konstruktion
• Frågor om PC-kort för EMC-mildring
• Förståelse av common-mode-signaler
• PCB-signalkoppling kan vara ett problem
• Designer’s Notebook: Signalisolering