Как правильно подключать заземление
Так как наводки представляют собой источник нежелательных сигналов, то они могут быть причислены к шумам. Защита от наводок может быть достигнута за счет надлежащего заземления, тщательного расположения монтажа и экранирования. Задача надлежащего экранирования может оказаться достаточно сложной, но может быть сведена к трем простым принципам (которым отнюдь не просто следовать):
1) проводник экрана должен быть присоединен к нулю опорного напряжения сигнала (земле сигнала) только один раз (При экранировании низкочастотных помех в ближнем поле. При экранировании радиопомех заземление лучше подобрать экспериментально);
2) экран и земля сигнала должны быть заземлены у источника питания в одной и той же физической точке;
3) все проводники, несущие сигнал, должны быть помещены в экран. Надлежащий монтаж должен исключать чрезмерную сгущенность, длинные пути прохождения сигнала с экраном или без него, не необходимые перекрещивания проводов. Другими словами, следуйте хорошему конструкторскому опыту.
Заземление
Непродуманное заземление, как правило, приводит к восприятию схемой нежелательных сигналов. Сформулировать принцип надлежащего заземления нетрудно, но иногда следовать этому принципу тяжело. Этот принцип можно сформулировать так: заземление, по которому течет ток нагрузки к источнику питания, должно осуществляться отдельным проводом, а не объединяться с проводом земли сигнала. На рис. 1 показан пример реализации этого принципа. Смысл такого заземления заключается в том, что часто ток нагрузки во много раз больше тока сигнала. Ток нагрузки, протекая даже через провода достаточно большого сечения, может вызвать падение напряжения (IR) на линии заземления. Это вызовет изменение напряжения на линиях опорного напряжения каждого ОУ, присоединенного к этой линии заземления. В экстремальных случаях это изменение потенциала может составить несколько милливольт и может служить источником значительной погрешности.
Рис. 1. Правильная схема заземления. А и Б (в кружках) — провода заземления, по которым течет малый ток; В и Г (в кружках) — провода заземления, по которым течет большой ток; 3 — заземляемый вывод. Л. Фолкенберри «Применение операционных усилителей и линейных ИС»
Еще раз о заземлении
Существует два технических приема, к которым несерьезно относятся даже те, кто производит впечатление знающих, — это заземление и экранирование. Главная причина осложнении, которые могут возникнуть в этой области, заключена в образовании так называемых цепей обратной связи через землю.
Рис 2. Ситуация, приводящая к тяжелым последствиям — повсеместные токи заземления (а); правильное заземление (б). Такая цепь создается токами, протекающими в проводнике заземления. Этот ток создает падение, напряжения, которое проявляется для системы как сигнал. Эта ситуация показана на рис.2,а., где земля сигнала, общий проводник к источнику питания от усилителя и проводник заземления самого источника питания подключены к различным токам на поверхности заземления. Рис. 3. Метод соединения земли аналоговых и цифровых схем на печатной плате. Поверхностью заземления может быть массивный толстый кусок меди, или сама земля, или большой лист металла, но даже в этом случае нет уверенности, что проблема решена. Если же «землей» будет тонкий провод, то почти наверняка вы столкнетесь с проблемой цепей обратной связи через землю. В случае, показанном на рис. 2, большой ток («большим» может считаться ток всего в несколько миллиампер) вызывает падение напряжения между точками В и С. Это можно интерпретировать как сигнал постоянного тока на входе усилителя. Хотя мы можем считать, что входной сигнал действует между точкой Л и входной линией усилителя, в действительности входным сигналом для усилителя будет напряжение относительно точки С. Мы очень часто говорим о необходимости заземления, но, по-видимому, возможны и такие случаи, когда точек заземления слишком много. Лучшая ситуация — это единственная точка заземления, как это показано на рис. 1,б. При этом формирование цепей обратной связи через землю исключается или по крайней мере значительно затрудняется. Рис. 3. показывает, как это можно сделать при разработке рисунка печатных проводников на печатной плате. Проводники заземления от различных цепей сходятся в одну точку на торцевом разъеме платы. Для более сильных токов используются два параллельных вывода. Дж. Кар «Проектирование и изготовление электронной аппаратуры» М., «Мир» 1980г.
none 
Опубликована: 2005 г. 
0 
0
Вознаградить Я собрал 0 0
Оценить статью
- Техническая грамотность
Методики заземления металлизированных монтажных отверстий печатных плат
Всякий раз, когда плата помещается в корпус, ее нужно каким-то образом прикрепить к корпусу. Чтобы обеспечить надежное крепление без повреждения поверхности печатной платы болтами, сквозные металлизированное отверстия, как правило, размещают в углах. Контактные площадки монтажных отверстий на печатных платах обычно находятся под паяльной маской, чтобы при необходимости точку крепления можно было электрически подключить к одной из сетей. Один из вопросов, который часто возникает в этом случае, касается заземления и монтажных отверстий печатной платы. Нужно ли предусмотреть в проекте заземление креплений, и если да, то как их заземлять? Следует ли всегда подсоединять их к шасси, только к внутреннему заземлению или где-либо еще?
Это интересный вопрос, и ответ на него обычно сводится к формулировкам типа «всегда/никогда». Кто-то будет утверждать, что всегда заземляет монтажные отверстия на корпусе, другие скажут, что никогда не следует поступать таким образом, так как это испортит весь проект. Как и для большинства правил проектирования, сформулированных таким образом, верный ответ сложнее и охватывает множество аспектов проектирования, начиная от входной мощности и заканчивая структурой системы заземления. Если вы понимаете, как определить питание и заземление на входе печатной платы, вам будет легче разработать стратегию монтажа с учетом заземления.
Как спроектировать монтажные отверстия на печатной плате
Как следует из названия, монтажные отверстия на печатных платах используются для крепления печатной платы к корпусу. Существует ряд согласованных правил проектирования монтажных отверстий печатных плат:
- Как правило, монтажные отверстия должны быть металлизированными, так как это позволяет выполнить монтаж с применением металлических болтов.
- Поскольку плавающие металлические элементы могут служить источниками электромагнитных помех, монтажные отверстия должны быть подсоединены к заземляющей сети (массе (PE), заземлению сигнала (SGND), заземленному корпусу и т. п.).
- Монтажные отверстия должны соответствовать стандартному размеру крепежных элементов.
- Монтажные отверстия могут не быть металлизированными, хотя это целесообразно только при использовании в проекте пластиковых болтов или изоляционных прокладок.
Я подробно рассматривал этот вопрос в предыдущей статье об инструментальных отверстиях, в основном поскольку в ряде значимых источников не проводится различие между монтажными отверстиями и инструментальными отверстиями. Для проектировщиков это различие играет важную роль, поскольку монтажные отверстия почти наверняка будут частью системы заземления платы, и требуется точно оценить, как это повлияет на электромагнитные помехи и безопасность проектного решения.
В этом случае настоятельно рекомендуется заземлить шасси на массу, сформировать заземление печатной платы на массу только на входе питания и использовать металлизированные монтажные отверстия только для соединения с шасси. Это показано на иллюстрации выше. На вторичной/выходной стороне изолированной системы следует поступать так же: подсоединять металлизированные монтажные отверстия только к шасси, но не к заземлению печатной платы на вторичной стороне. Чтобы предотвратить шумовое излучение с вторичного участка заземления, соедините первичный и вторичный участки заземления конденсатором класса Y. Это обеспечит гальваническую изоляцию для постоянных токов и одинаковый потенциал всех участков заземления для переменных токов.
Основные рекомендации по проектированию монтажных отверстий для печатных плат
Фактически, монтажное отверстие печатной платы является электрической особенностью, которая обязательно присутствует в проектном решении. В разрезе механики размер монтажного отверстия и контактной площадки должен быть достаточно большим для установки крепежа, но при этом, если необходимо, позволять сформировать электрическое соединение с шасси, имеющее низкое полное сопротивление. Также важно помнить, что заземление всех монтажных отверстий на металлический корпус не решит всех проблем. Методики заземления печатных плат с использованием монтажных отверстий не решают всех проблем с электромагнитными помехами или безопасностью, поэтому обязательно продумайте стратегию заземления, учитывающую конкретные проблемы в проектируемой системе.
Если вам нужны лучшие инструменты построения макетов для размещения монтажных отверстий на печатной плате, обратите внимание на полный спектр функций проектирования печатных плат в Altium Designer ® . Выстраивая стек слоев и сети на схемах, вы сможете применить методики заземления печатных плат, необходимые для подавления электромагнитных помех и обеспечения безопасности проектируемой системы. Когда проектирование будет завершено, а данные готовы для передачи на производство, платформа Altium 365 ™ поможет наладить совместную работу и доступ к проектам.
Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .
Правила заземления для высокоскоростных схем
В статье освещены некоторые правила по компоновке и разводке электрических схем, в которых применяются преобразователи сигнала (АЦП и ЦАП) с высокой разрядностью (10 и более разрядов) и относительно высокой скоростью преобразования (1 МГц и выше).
Работа электронной схемы может поставить в тупик проектировщика, пытающегося перейти от разработки низкочастотных схем с преобразователями сигнала с малым разрешением к разработке и использованию высокоскоростных либо высокочастотных схем с преобразователями с высокой разрядностью или от разработки схем с цифровым согласованием сигналов к разработке схем с аналоговым согласованием. В таком случае часто может показаться, что правила разводки шины земли (шины общего провода, шины возвратного сигнального тока) изменились и требуют пересмотра.
Опытные проектировщики знают трудности создания хорошей схемы (под схемой здесь и далее понимается не только то, что изображено на листе бумаги или на экране монитора компьютера, но и реальная плата, в некоторых случаях даже включенная в состав некоего устройства), содержащей аналоговую и цифровую части в смысле объединения земли этих частей. Они могут рассказывать истории о земле, которая была не там, гда они предполагали или ее не было там вообще, несмотря на убеждение, что она там должна быть. На платах шины и/или провода, которые казались совершенно хорошими землями, преображались в индуктивности, что является неприемлемым в высокоскоростных или высокочастотных схемах.
1. Основные правила разводки
Искушенные и умудренные опытом дизайнеры высокоскоростных схем давно уже поняли, что каждый квадратный дюйм платы, на котором не располагаются компоненты схемы или проводники, должен быть залит земляным полигоном. Нарушение этого простого правила приводит к катастрофическим последствиям. Но иногда строгое соблюдение этого правила невозможно при очень плотном монтаже; в этом случае необходимо уменьшать плотность и отводить больше места для полигона. Даже макетные платы должны быть с двухслойной металлизацией, один слой которой должен быть отведен под общую шину, что повысит шансы разработчика на создание достойной схемы в будущем.
Другое основное правило при работе с высокоскоростными и/или высокочастотными схемами — объединение аналоговой и цифровой земли вместе на печатной плате. Такое соединение повышает качественные показатели как собственные, так и показатели подсистем, в которые они входят.
Следующее правило для схем, содержащих аналоговую и цифровую части, — использование каждого свободного вывода для создания соединения с общим проводом и отделения аналоговых и цифровых сигналов.
Избегайте применения соединений тонкими многожильными монтажными проводами, включая соединения выводов питания и общего вывода.
Обобщая выше сказанное, можно сказать, что необходимо использовать печатные платы с, как минимум, двухслойной металлизацией с максимальной площадью общего вывода (наилучший вариант — полигон ) и толстыми, хорошо расположенными подводящими проводами питания и земли.
2. Общие методы построения схем
Во всех высокоскоростных схемах, имеющих цифровые и аналоговые сигналы, требуется разносить их друг от друга как можно дальше для предотвращения возможного взаимовлияния между ними. Шины приходящих или уходящих цифровых сигналов должны иметь минимальную длину. Чем короче шина цифрового сигнала, тем меньше вероятность возникновения связи с аналоговой частью схемы и аналоговыми сигналами, которые в большинстве случаев являются более подверженными внешнему влиянию, чем цифровые.
Аналоговые сигналы должны разводиться как можно дальше от цифровых сигналов, так далеко, как только могут позволить размеры платы. Аналоговые и цифровые сигналы в идеальном случае никогда не должны проходить параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Если они должны пересекаться, то пересечение должно быть выполнено под прямым углом (естественно, на разных слоях платы) для минимизации взаимовлияния.
Для ввода и вывода аналоговых сигналов могут потребоваться коаксиальные кабели, с их механическим закреплением, всегда хорошо решающие задачу электромагнитной экранировки. В случае, когда на одной плате совместно используются схема выборки-хранения и АЦП, необходимо размещать их возможно более близко друг от друга. Все общие выводы должны быть подключены к единому низкоимпедансному полигону земли, и эти подключения должны быть выполнены корректно (еще один аргумент для использования большого цельного полигона общего вывода, доступного на всей области печатной платы).
Пример практического решения для выполнения этих правил проиллюстрирован на рис. 1, где показана блок-схема печатной платы с предпочтительным методом объединения высокоскоростных аналоговой и цифровой частей схемы.
Рис.1. Блок-схема печатной платы с функциональным разделением частей
3. Наука о контактах
Давайте представим себе схему с аналоговыми и цифровыми компонентами. Питание такая схема получает через соответствующий разъем, а вывод этого разъема, используемый для подключения к общему шине, обладает контактным сопротивлением 0,05 Ом (не совсем плохой контакт). Предположим, что общий потребляемый ток нашей схемы равен 1,5 А. В аналоговой части располагается 12-разрядный АЦП с диапазоном входного напряжения, равным 10 В; при этом младший значащий разряд (МЗР) АЦП будет иметь значение 2,5 мВ (10 В / 4096).
В этих условиях падение напряжения на этом выводе составит 75 милливольт. Если будет использоваться только цифровая часть схемы, такое падение напряжения вряд ли стоит принимать во внимание. В реальной ситуации необходимо учитывать взаимовлияние аналоговой и цифровой частей, и 75 мВ могут иметь существенное воздействие на качественные показатели как схемы, в отдельности так и устройства в целом.
Для нашего примера предположим, что цифровая часть схемы имеет уровни ТТЛ. Поскольку ТТЛ — логика, работающая в насыщении, ток, протекающий по общему выводу, меняется в широких пределах, и это изменение часто приводит к появлению шума в сигнале, являющегося следствием модуляции тока общего вывода. Этот шум, возникающий при переключении элементов цифровых схем, воздействуя на аналоговую часть схемы, может оказывать влияние на качественные показатели, даже при низкоуровневым цифровом сигнале (LVDS). Например, если только 10% от 75 мВ падения напряжения будут воздействовать на аналоговый сигнал, то это приведет к изменению трех младших значащих разрядов АЦП.
Каков же результат? Схема, спроектированная как 12-разрядная, реально уменьшит свою разрядность до 10-11, поскольку шум будет маскировать сигнал младших разрядов.
Каково же рекомендуемое решение? Отводите возможно большее количество выводов для соединения с общим проводом для уменьшения контактного сопротивления. Эти выводы, как показано на рис. 1, также используются для разделения аналоговых и цифровых сигналов.
Такой дизайнерский подход может представиться излишне строгим и занимающим много времени, но докажет свою правильность после окончательного монтажа платы в устройство и тестирования.
Размещайте схему синхронизации около центра платы (рис. 1), поскольку это устройство является сердцем всей схемы и подключается к всем основным компонентам схемы. Центральное расположение позволяет минимизировать длину шин цифровых сигналов.
В других случаях могут не использоваться компоненты или функциональные узлы, представленные на рис. 1, но такой способ размещения и разводки должен применяться во всех разработках, содержащих аналоговые и цифровые части. Для плат со всеми подключениями у одной стороны платы, старайтесь избегать размещений, при которых аналоговые части схемы располагаются вблизи разъема, а цифровые части — на противоположной стороне платы, и наоборот. Также старайтесь избегать ситуации, при которой аналоговые и цифровые шины проходят близко друг от друга.
4. Схемное заземление
Несмотря на то, что локальные соединения аналоговой и цифровой земли улучшают качественные характеристики схемы, они могут вызвать проблемы при использовании АЦП и ЦАП. В схемах преобразователи данных (АЦП и ЦАП) должны рассматриваться как аналоговые (а не цифровые) компоненты; схемотехнический дизайн должен быть определен опытными и квалифицированными инженерами аналоговых схем, которые могут защитить шины с милливольтовыми сигналами от наводок на них.
Размещайте АЦП и ЦАП (также как и другие аналоговые компоненты) вблизи от других элементов аналоговой части схемы, потому что:
- отражения создают трудности при передаче аналоговых сигналов на длинные расстояния без потери полосы и амплитуды
- шум, генерируемый в цифровой части схемы, может проникать в аналоговую часть через полигон земли или шины питания, а также посредством излучения
Шина возвратного тока питания (общий провод) каждой платы в комплексной схеме должна быть соединена с общим источником питания толстым проводом. В случаях, когда аналоговая и цифровая земля должны быть обязательно разделены, каждая из них должна быть раздельно соединена с источником питания; не соединяйте две земли одним проводом с источником питания.
5. Питание
Кроме соблюдения правил заземления, разработчики высокоскоростных схем должны также соблюдать правила питания для получения хороших результатов.
Каждая шина питания, поступающая в плату с высокоскоростной или высокочувствительной схемой, должна быть тщательно шунтирована на шину возвратного тока питания (шину общего провода питания) для предотвращения проникновения помех по этим шинам. Керамические конденсаторы (диапазон емкости от 0,01 до 0,1 мкФ) должны щедро использоваться и размещаться так близко от шунтируемой схемы, как только возможно; и, наконец, один танталовый конденсатор хорошего качества (диапазон емкости от 3 до 20 мкФ) должен использоваться для каждой шины питания и размещаться вблизи от вывода питания для уменьшения низкочастотных пульсаций питания.
В такой же степени, шумовые проблемы могут создаваться из-за плохого контакта в разъемах питания. Если сопротивление их контактов довольно значительно и протекает изменяющийся по величине ток, то изменяющееся падение напряжения на таком контакте вызовет шум и может оказать влияние на остальные части схемы. Это предостережение особенно касается напряжения, используемого для питания микросхем ТТЛ; вред от этой проблемы может быть снижен введением дополнительных выводов питания.
Малошумящие, с низкими пульсациями, температурно-стабильные линейные источники напряжения предпочтительны для питания высокоскоростных схем. Ключевые стабилизированные источники часто также отвечают этим критериям, включая требования к пульсациям. Но пульсации для таких источников обычно описываются единицами среднеквадратического отклонения, а выбросы, создаваемые в ключевых стабилизаторах, часто могут создавать трудно фильтруемые, неконтролируемые броски напряжения амплитудой несколько сотен милливольт. Высокочастотные компоненты этих выбросов бывает чрезвычайно трудно не допустить в общий провод питания.
Если от применения в высокоскоростных схемах ключевых источников нельзя отказаться, то они должны быть тщательно экранированы и удалены насколько это возможно от остальной части схемы, а их выходные напряжения должны быть очень хорошо отфильтрованы.
6. О проектировании
Часто имеются различия в реализации схем с использованием прецизионных ИС по отношению к схемам с использованием интегральных или гибридных модулей. Некоторые ИС специально разработаны с разделенными аналоговой и цифровой землями из-за того, что они не могут выполнять свои функции должным образом без такого разделения.
Отмечая это, производители ИС, как правило, подробно описывают, как достигнуть оптимальных качественных показателей для их схем. Эти подробности использования часто дают понять пользователю, как соединить вместе аналоговую и цифровую земли схемы, а когда это делается, то соединение должно быть расположено на возможно более близком расстоянии от ИС.
В других, более редких случаях, для отдельных устройств или систем может потребоваться удаленное соединение земли.
В заключение — старый, добрый совет: лучшее решение для получения оптимальных характеристик любых устройств — старательно придерживаться рекомендациям производителя.
Комментарии автора перевода к статье:
Журнал Analog Dialogue является периодическим изданием фирмы Analog Devices — лидера в разработке и производстве аналоговых микросхем.
Статья, заслуживающая внимания начинающих проектировщиков электронных схем. Но этим она и хороша — с чего то начинать все же нужно, а азы теории никогда не помешают.
В статье есть некоторые противоречия с рекомендациями Analog Devices. В частности, в вопросе объединения аналоговой и цифровой земель в статье указано, что они должны быть объединены на печатной плате, а в рекомендациях фирмы по применению аналогово-цифровых преобразователей приводятся примеры разводки внутреннего слоя, в котором аналоговая и цифровая земли разделены. На рисунке толстая линия в середине платы представляет собой не что иное, как границу разделения полигонов.
В целом же, статья очень полезна.
Авторы: Don Brockman, Arnold Williams. Перевод статьи Ground Rules for High-Speed Circuits, Analog Dialogue, AN-124
Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru
Три способа объединения земли на печатной плате
Часто при проектировании печатных плат возникает ситуация, когда необходимо закоротить две цепи на плате, не соединяя их на схеме. На схеме цепи не соединяются напрямую, чтобы схемотехнику было удобнее воспринимать схему и работать с ней. Часто стремятся разделить земли различных схемных блоков. Либо разделить систему питания платы на различные ветви и налаживать каждую ветвь по отдельности, а затем убрать наладочные резисторы, заменив их закорачивающей трассировкой.
В OrCAD/Allegro можно соединить две различные цепи как минимум тремя различными способами:
- Через переходное отверстие.
- Через статические полигоны.
- Через специальные посадочные места.
Для закорачивания двух цепей через переходное отверстие необходимо выбрать любое переходное отверстие на ПП, принадлежащее одной из цепей, которые необходимо соединить.
Выбор команды назначения и редактирования свойств объекта
Далее необходимо нажать правую кнопку мышки и выбрать из выпадающего списка команду редактирования свойств переходного отверстия – Property Edit. После данного действия пользователь окажется в новом диалоговом окне, которое позволит назначить переходном отверстию новое свойство NET_SHORT. Значение этого свойства должно совпадать с названием цепи, с которой необходимо провести замыкание.
Назначение объекту нового свойства NET_SHORT
После того, как пользователь нажмет на Apply, а затем на OK, он увидит, что полигон перестал обтекать отверстие и проходит сквозь него. Другими словами, цепи закоротились.
Вид отверстия и полигона до и после назначения свойства Net_Short.
Через статические полигоны
Данный метод очень прост. Его суть заключается в отрисовке двух статических полигонов, принадлежащих двум различным цепям, и надвигании границ этих полигонов друг на друга. Таким образом получается закорачивание цепей в нужной точке печатной платы.
Закорачивание 2-х цепей при помощи полигонов
Через специальные посадочные места
Суть данного метода заключается в создании посадочного места, похожего на резистор или конденсатор. Однако его площадки могут располагаться на любом слое печатной платы: как внутреннем, так и внешнем. И площадки будут закорочены между собой небольшим полигоном или отрезком проводящей линии. Полигоном закорачивать удобнее, поскольку его можно расположить на определенном подклассе и включать по мере надобности. Т.е. когда плата налаживается при помощи закорачивающих резисторов, данный полигон отключен. Когда прибор отработан и запускается в массовое производство, слой с закорачивающими полигонами включается в состав Gerber файлов.
Так же пользователю не нужно помнить все координаты, где одна цепь закорочена с другой. Поскольку соединение происходит посредством посадочных мест, их можно назвать определенным образом и их координаты всегда будут присутствовать в отчете о компонентах печатной платы.
Для того, чтобы создать такой компонент, достаточно взять любое посадочное место от резистора или конденсатора, назвать его уникальным именем и поместить на разрабатываемую печатную плату.
Затем необходимо отредактировать контактные площадки, выбрав команду Tools → Padstack → Modify Design Padstack. После активации команды выбирается нужная контактная площадка.
Выбор КП для редактирования
В редакторе контактных площадок необходимо переключить тип площадки на Die Pad, а затем выбрать необходимый слой на вкладке Design Layers.
Смена типа контактной площадки
Смена слоя, на котором теперь будет располагаться контактная площадка
После смены слоя необходимо выбрать команду File → Update to design and exit в окне редактора контактных площадок.
КП элемента переместились на выбранный пользователем слой
Площадки компонента переместятся на выбранный пользователем слой.
Чтобы реализовать замыкание, можно изменить размер контактных площадок так, чтобы они пересеклись. Это будет самым простым выходом. Можно так же дорисовывать соединительный полигон.