Проклятие контура заземления

Иногда кажется, что контур заземления неизбежен. Пожалуйста, проведите следующий мысленный эксперимент. Было бы замечательно, если бы вы могли предоставить решения описанной проблемы.

Представьте себе плату, на которой нельзя использовать заземляющий слой. На плате есть несколько фишек:

введите описание изображения здесь

Цифровой или аналоговый сигнал проходит от микросхемы 2 к микросхеме 3. Предположим, что дорожка не может идти прямо к другой микросхеме, а должна огибать какую-то другую схему на плате.

Теперь рассмотрим текущий поток, когда сигнал перемещается от чипа 2 к чипу 3:  
 

введите описание изображения здесь

Это выглядит плохо. Поверхность, окруженная текущим потоком, очень велика. Если это цифровой сигнал, он, несомненно, внесет много шума в схему, припаянную к этой поверхности. И если это аналоговый сигнал, он, вероятно, будет поглощать шум от схем на этой поверхности.

Пытаясь быть умным, я придумал следующее решение. Добавим обратный путь для сигнала:  
 

введите описание изображения здесь

Ура, похоже, сигнал сейчас очень хорошо защищен. Закрытая поверхность намного меньше. Он не излучает магнитные поля и не поглощает их.

Но подожди минутку... ты видишь это? Видишь контур заземления, который я только что создал? Посмотри снова:  

введите описание изображения здесь

Ой! Что теперь? Я только улучшил ситуацию, или я действительно сделал ее хуже?

Пожалуйста помоги...

Придерживайтесь оригинальной схемы, просто перенаправьте сигнал параллельно земле. Всегда можно создать искусственные ситуации, требующие плохих решений.
Эта ситуация не просто искусственная, а основана на реальных жизненных ситуациях. Иногда у вас не может быть заземления. Иногда вы не можете «перенаправить сигнал параллельно земле», потому что на пути есть вещи (вещи, которые, возможно, сами должны быть близко к земле). Во многих случаях на доске не хватает места, чтобы все было идеально, вот тогда вышеописанная ситуация может стать реальностью...
Если сигнал проходит по маршруту, вы всегда можете сделать так, чтобы наземный путь проходил по тому же маршруту, если только на вашей плате недостаточно места. В последнем случае вам нужна доска с большим пространством или большим количеством слоев. Способ, которым мы обычно избегаем случайного попадания в эту ситуацию, заключается в том, чтобы сначала разместить все критические пути, выход и возврат, а затем загромождать доску другими вещами. Слишком раннее исчерпание пространства для маршрутизации — это выбор. Ваш ответ: сигнал должен идти на север от C2, затем на восток до C3, точно так же, как и земля.
Решает ли все это дополнительный слой с твердой заземляющей пластиной?

Ответы (1)

В первом используется схема заземления «звезда», которая хорошо работает в некоторых условиях: низкие частоты, отсутствие входящих электромагнитных/радиочастотных помех... что означает, что в современном мире эта схема становится все менее полезной...

Однако, прежде чем говорить о петле, я хотел бы отметить, что ваша конструкция является однополярной, поэтому микросхемы потребляют ток питания и сбрасывают его в землю. Использование длинных дорожек для GND в этом случае означает, что этот ток создаст напряжение против импеданса GND. Поскольку GND используется в качестве опорного напряжения, ваши микросхемы будут иметь разные опорные потенциалы.

Если это операционные усилители с однополярным питанием, они будут обрабатывать это как сигнал. Если это логические микросхемы, отскок земли может повредить логические уровни.

В обоих случаях выгоден низкий импеданс земли, т.е. наземная плоскость. Без наземной плоскости вы можете трассировать горизонтально на верхний слой, вертикально на нижний слой и создавать сетку питания/земли, что было популярно во времена огромных досок, набитых чипами TTL.

Обратите внимание, что если ваши микросхемы представляют собой операционные усилители +/-15 В, то ток течет к источникам питания, но они не подключены к земле (кроме как через развязывающие колпачки), поэтому в этом случае переменный ток питания только внесет дополнительный шум на GND, если развязка колпачки плохо расположены/проложены.

Теперь вернемся к вашему вопросу:

Для этого нет правильного решения. Во времена односторонних аналоговых плат (например, видеомагнитофона или кассетной деки) их обычно помещали в металлический корпус, действовавший как экран, а мобильных телефонов не было. Сегодняшние Hi-Fi устройства (например) обычно имеют некоторое экранирование, если лицевая панель пластиковая, то вы можете ожидать, что немного токопроводящей аэрозольной краски защитит от входящих электромагнитных помех.

Кроме того, эти огромные логические платы TTL были разработаны до современных директив по электромагнитной совместимости, и частоты были низкими.

Так или иначе. Если сигналы быстрые, то их нужно прокладывать близко к пути обратного тока через землю, иначе формируется рамочная антенна, которая будет и передавать, и принимать, а лишняя индуктивность искажает сам сигнал.

Таким образом, если это микросхемы логики, предпочтительнее будет последняя раскладка в вашем посте. На самом деле, «контур заземления» будет одной ячейкой на старой плате «сетка заземления / питания».

Обратите внимание, что заземляющий контур представляет собой короткозамкнутый виток, поэтому входящий радиочастотный сигнал должен быть довольно сильным, чтобы вызвать в нем достаточно высокое напряжение, чтобы повредить логические уровни. Основная проблема заключалась бы в том, что у него была бы резонансная частота где-то в спектре...

Теперь, конкретно об заземлении звука, я могу только порекомендовать эту статью от Бруно «Человека» Путцейса. Также действителен для других аналоговых приложений. Это также весело читать.

Очень интересно! Вы говорите: «Таким образом, если это логические микросхемы, последний макет в вашем посте был бы предпочтительнее. На самом деле «контур заземления» был бы одной ячейкой в ​​​​старой школьной плате «сетка заземления / питания». Что вы под этим подразумеваете? Изменятся ли ваши выводы, если микросхемы будут аналоговыми, а не логическими?
ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf ознакомьтесь со страницами, посвященными «сетке». Для аналога вам нужно будет проверить, имеет ли значение ток питания, протекающий по дорожкам заземления, в зависимости от допустимой точности / смещения / искажения и т. Д., Возможно, использовать дифференциальные усилители и т. Д., Это во многом зависит от приложения. Материал для чтения: hypex.nl/img/upload/doc/an_wp/WP_The_G_word.pdf
Отмечу, что кроме потенциального резонанса, заземляющий контур вообще не проблема. Обычно вас волнует напряжение, возникающее на заземляющем проводнике, и добавление дополнительных путей вряд ли ухудшит ситуацию. В пределе это наблюдение приводит к наземной плоскости. Теперь для аналоговых вещей вы обычно должны быть осторожны с тем, где вы ссылаетесь на вещи, что является немного другой проблемой, особенно когда вы понимаете, что операционный усилитель - это по крайней мере 5-контактное устройство, а не трехконтактное (подумайте о выходном каскаде класса AB). и где токи текут в каждом квадранте).
Да, в последнем предложении я упомянул «правильно проложенные развязывающие колпачки»: контакты GND обоих колпачков должны подключаться к плоскости заземления в одном и том же месте, поэтому нелинейные токи класса AB, проходящие через колпачки, хорошо суммируются в линейную копию фактического выходной ток операционного усилителя, который затем вводится в GND. Не нужно вводить искаженные токи в GND, когда все, что нужно, чтобы избежать этого, - это поставить оба колпачка на одну сторону операционного усилителя и немного трассировки ;)
@peufeu, что вы подразумеваете под «нелинейными токами класса AB, протекающими через колпачки, хорошо складываются в линейную копию фактического выходного тока операционного усилителя, который затем вводится в GND». Не могли бы вы объяснить это подробнее, возможно, с рисунком? Большое спасибо :-)
@DanMills, вау, ваше утверждение «Я бы отметил, что, кроме потенциального резонанса, контур заземления не представляет проблемы» звучит немного спорно. Ты уверен насчет этого?
Да! Сделайте петли маленькими (и сделайте их много), и вы минимизируете импеданс между любыми двумя точками сетки, которые вам нужны, и, таким образом, минимизируете напряжения, возникающие между этими точками. Единственные люди, которые беспокоятся о контурах заземления, - это аудиотипы, которые должны использовать балансные соединения или иерархические основания, и типы приборов с постоянным током, которые снова должны разделять заземление и опорный... Обратите внимание, что это относится к устройству, внешние интерфейсы имеют другие проблемы.
Рассмотрим источник тока операционного усилителя в нагрузку, ток течет от положительной шины, через операционный усилитель к нагрузке, затем обратно через заземляющую сеть к развязывающей крышке операционного усилителя и обратно к положительной шине... Но этот ток течет только тогда, когда операционный усилитель является источником тока, если операционный усилитель потребляет ток, путь включает отрицательную шину и развязывающий колпачок. Сигнальный ток переключается с положительной на отрицательную шину в зависимости от квадранта нагрузки операционного усилителя. Соединив два развязывающих колпачка вместе, а затем опустив эту точку на землю, вы избежите этих коммутационных токов в земле.
«Единственные люди, которые беспокоятся о контурах заземления, — это аудиотипы, которым следует использовать сбалансированное соединение». Абсолютно! Всегда есть контуры заземления, поэтому лучше использовать конструкцию, которая не развалится при наличии контуров заземления. Это делается с учетом того, что является эталоном сигнала.
Проклятие контура заземления
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v