Τα ίχνη γείωσης και τα επίπεδα γείωσης έχουν σύνθετη αντίσταση. Όταν ρέει ρεύμα μέσω μιας διαδρομής γείωσης, εμφανίζεται τάση σε αυτή τη διαδρομή. Αυτή η τάση αποτελεί θόρυβο. Η τάση θορύβου είναι μία από τις πηγές παρεμβολών που μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά τη σταθερότητα του συστήματος. Επομένως, για να μειώσουμε τον θόρυβο γείωσης, πρέπει πρώτα να μειώσουμε τη σύνθετη αντίσταση της γείωσης.
Όπως όλοι γνωρίζουν, η γείωση αποτελεί τη διαδρομή επιστροφής του ρεύματος. Για κάθε σήμα, αυτό πρέπει να βρει μια διαδρομή επιστροφής προς τη γείωση που να έχει τη χαμηλότερη σύνθετη αντίσταση. Επομένως, ο τρόπος με τον οποίο διαχειριζόμαστε αυτή τη διαδρομή επιστροφής είναι πολύ σημαντικός.
1 — Γιατί το μέγεθος και το σχήμα της διαδρομής επιστροφής έχουν σημασία
Πρώτον, από τον τύπο για την ακτινοβολία γνωρίζουμε ότι η ένταση της ακτινοβολίας είναι ανάλογη με το εμβαδόν του βρόχου. Αυτό σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή επιστροφής και όσο μεγαλύτερος είναι ο βρόχος που σχηματίζει, τόσο περισσότερο θα ακτινοβολεί και θα προκαλεί παρεμβολές σε άλλα κυκλώματα. Επομένως, κατά το σχεδιασμό ενός PCB, θα πρέπει να προσπαθείτε να κάνετε τους βρόχους επιστροφής ισχύος και σήματος όσο το δυνατόν μικρότερους.
Δεύτερον, για ένα σήμα υψηλής ταχύτητας, η ύπαρξη μιας καλής διαδρομής επιστροφής συμβάλλει στη διατήρηση της ποιότητας του σήματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση μιας γραμμής μετάδοσης στο PCB υπολογίζεται συνήθως σε σχέση με ένα επίπεδο γείωσης (ή ένα επίπεδο τροφοδοσίας). Εάν υπάρχει ένα συνεχές επίπεδο γείωσης κοντά στο ίχνος υψηλής ταχύτητας, η σύνθετη αντίσταση του ίχνους θα παραμείνει σταθερή. Εάν ένα τμήμα του ίχνους δεν έχει κοντινή αναφορά γείωσης, η σύνθετη αντίσταση θα μεταβληθεί. Αυτή η ασυνέχεια στη σύνθετη αντίσταση θα βλάψει την ακεραιότητα του σήματος. Επομένως, κατά τη διαδρομολόγηση, τοποθετήστε τις διαδρομές υψηλής ταχύτητας σε στρώματα κοντά σε ένα επίπεδο γείωσης. Ή τοποθετήστε μία ή δύο διαδρομές γείωσης παράλληλα δίπλα στη διαδρομή υψηλής ταχύτητας. Αυτές οι διαδρομές γείωσης λειτουργούν σαν θωράκιση και παρέχουν μια κοντινή διαδρομή επιστροφής.
Τρίτον, αποφύγετε, όποτε είναι δυνατόν, τη δρομολόγηση σημάτων μέσω διαχωρισμένων επιπέδων τροφοδοσίας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όταν ένα σήμα διασχίζει διαφορετικούς διαχωρισμούς τροφοδοσίας ή γείωσης, η διαδρομή επιστροφής του γίνεται μεγάλη και μπορεί να δεχτεί παρεμβολές. Ωστόσο, για σήματα χαμηλής ταχύτητας, η διέλευση από διαχωρισμούς δεν απαγορεύεται αυστηρά, καθώς οι παρεμβολές που προκαλούν μπορεί να είναι μικρές. Για υψηλής ταχύτητας Αυτά τα σήματα υποδηλώνουν ότι πρέπει να είστε προσεκτικοί και να αποφεύγετε τη διασταύρωση διακλαδώσεων, όποτε είναι δυνατόν. Μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε να αλλάξετε τη διαδρομή των επιπέδων τροφοδοσίας για να βελτιώσετε την κατάσταση.
Πολλά προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών οφείλονται στον σχεδιασμό της γείωσης. Το δυναμικό γείωσης αποτελεί το σημείο αναφοράς για ολόκληρο το κύκλωμα. Εάν η γείωση δεν είναι σταθερή, το κύκλωμα μπορεί να παρουσιάσει δυσλειτουργία. Στόχος του σχεδιασμού της γείωσης είναι να διατηρείται το δυναμικό γείωσης όσο το δυνατόν πιο σταθερό, ώστε να εξαλείφονται οι παρεμβολές.
Οι μέθοδοι γείωσης σημάτων συνήθως κατατάσσονται σε τέσσερις τύπους: πλωτή γείωση, γείωση ενός σημείου, γείωση πολλαπλών σημείων και μικτή γείωση.
2 — Τύποι γείωσης
Α. Πλωτή γείωση
Σκοπός: Φροντίστε να διατηρείτε το κύκλωμα ή τη συσκευή απομονωμένα από κοινούς αγωγούς που μπορεί να προκαλέσουν βρόχους γείωσης. Η «αιωρούμενη» γείωση διευκολύνει επίσης τη σύνδεση κυκλωμάτων με διαφορετικά δυναμικά.
Μειονέκτημα: Μπορεί εύκολα να συσσωρεύσει στατικό φορτίο και να προκαλέσει ισχυρή ηλεκτροστατική εκφόρτιση (ESD).
Συμβιβασμός: Προσθέστε αντιστάσεις εκφόρτισης για την απομάκρυνση του φορτίου.
Β. Γείωση ενός σημείου
Η γείωση ενός σημείου σημαίνει ότι η γείωση κάθε κυκλώματος συνδέεται με την κοινή γείωση στο ίδιο σημείο. Αυτή μπορεί να χωριστεί σε γείωση ενός σημείου σε σειρά και γείωση ενός σημείου σε παράλληλο. Μην χρησιμοποιείτε γείωση ενός σημείου σε συστήματα όπου συνυπάρχουν κυκλώματα υψηλής και χαμηλής ισχύος. Τα ρεύματα γείωσης από το τμήμα υψηλής ισχύος θα επηρεάσουν τα τμήματα χαμηλής ισχύος. Επίσης, το πιο ευαίσθητο κύκλωμα πρέπει να τοποθετείται στο κοινό σημείο, επειδή αυτό το σημείο έχει το πιο σταθερό δυναμικό.
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της γείωσης ενός σημείου είναι ότι δεν υπάρχουν βρόχοι γείωσης, οπότε ο σχεδιασμός είναι σχετικά απλός. Ωστόσο, τα καλώδια γείωσης μπορεί να είναι μακρά και η σύνθετη αντίσταση γείωσης μπορεί να είναι μεγάλη.
Η γείωση ενός σημείου μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους:
- Σειρά μονοσημειακής γείωσης — Αυτό είναι απλό. Ωστόσο, επειδή υπάρχει ένας κοινός αγωγός γείωσης, θα υπάρχει μια κοινή σύνθετη αντίσταση γείωσης. Εάν τα κυκλώματα που είναι συνδεδεμένα σε σειρά έχουν πολύ διαφορετικά επίπεδα ισχύος, θα προκαλούν έντονες παρεμβολές μεταξύ τους.
- Παράλληλη γείωση ενός σημείου — Κάθε κύκλωμα διαθέτει ξεχωριστό καλώδιο γείωσης που επιστρέφει στο κοινό σημείο. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η σύζευξη στο κοινό σημείο γείωσης. Ωστόσο, απαιτούνται πολλά καλώδια γείωσης, κάτι που σε πολλές περιπτώσεις δεν είναι πρακτικό.
Σε πραγματικά σχέδια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια μικτή προσέγγιση ενός σημείου που συνδυάζει τη σειριακή και την παράλληλη σύνδεση. Τοποθετήστε τα κυκλώματα που δεν παρεμβάλλονται μεταξύ τους στο ίδιο στρώμα. Τοποθετήστε τα κυκλώματα που παρεμβάλλονται εύκολα σε διαφορετικά στρώματα. Στη συνέχεια, συνδέστε τα στρώματα γείωσης παράλληλα στο κοινό σημείο. (Το αρχικό κείμενο αναφερόταν σε ένα σχήμα σε αυτό το σημείο.)
Χρήση: Η γείωση ενός σημείου είναι κατάλληλη για χαμηλές συχνότητες λειτουργίας (< 1 MHz).
Μειονέκτημα: Δεν είναι κατάλληλο για περιπτώσεις υψηλών συχνοτήτων.
Η γείωση ενός σημείου δεν είναι κατάλληλη για κυκλώματα υψηλής συχνότητας, καθώς τα καλώδια γείωσης είναι μακρά και η σύνθετη αντίσταση που προκαλείται από αυτά είναι αναπόφευκτη. Για υψηλές συχνότητες, προτιμήστε τη γείωση πολλαπλών σημείων.
Γ. Πολυσημειακή γείωση
Χρησιμοποιήστε γείωση πολλαπλών σημείων για υψηλές συχνότητες λειτουργίας (> 30 MHz). Σε ένα σύστημα πολλαπλών σημείων, αντικαθιστάτε τους μεμονωμένους βρόχους επιστροφής γείωσης με ένα επίπεδο γείωσης που μπορεί να χρησιμοποιήσει κάθε τμήμα του κυκλώματος. Η επαγωγική αντίσταση ενός καλωδίου γείωσης αυξάνεται με τη συχνότητα και με το μήκος του καλωδίου. Σε υψηλές συχνότητες, η εμπέδηση της κοινής γείωσης αυξάνεται. Επομένως, πρέπει να διατηρείτε το μήκος του καλωδίου γείωσης όσο το δυνατόν μικρότερο.
Όταν χρησιμοποιείτε γείωση πολλαπλών σημείων, προσπαθήστε να εντοπίσετε την πλησιέστερη επιφάνεια γείωσης χαμηλής σύνθετης αντίστασης για να συνδεθείτε. Τα ψηφιακά κυκλώματα υψηλής συχνότητας απαιτούν παράλληλη γείωση. Ένας απλός τρόπος για να το επιτύχετε αυτό είναι να χρησιμοποιήσετε διαδρόμους γείωσης (ground vias). Όταν τα κυκλώματα λειτουργούν σε υψηλή συχνότητα, φανταστείτε ένα σήμα υψηλής συχνότητας να κινείται κατά μήκος ενός διαδρόμου γείωσης και να επηρεάζει τα γειτονικά κυκλώματα. Αυτό μπορεί να έχει πολύ αρνητικές συνέπειες. Επομένως, όλα τα κυκλώματα πρέπει να επιστρέφουν στη γείωση σε κοντινή απόσταση. Οι διαδρόμοι γείωσης πρέπει να είναι σύντομοι. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο υπάρχει η γείωση πολλαπλών σημείων.
Ο στόχος της γείωσης πολλαπλών σημείων είναι η μείωση της σύνθετης αντίστασης της γείωσης. Για να μειώσετε τη σύνθετη αντίσταση σε ένα κύκλωμα υψηλών συχνοτήτων, πρέπει να λάβετε υπόψη δύο παράγοντες: τη μείωση της αντίστασης της γείωσης και τη μείωση της επαγωγής της γείωσης.
Μέθοδοι:
- Μικρότερη αντίσταση του αγωγού. Από τη σχέση μεταξύ αντίστασης και διατομής γνωρίζουμε ότι η αύξηση της διατομής του αγωγού μειώνει την αντίσταση σε συνεχές ρεύμα. Ωστόσο, σε υψηλές συχνότητες, το φαινόμενο του δέρματος προκαλεί τη ροή ρεύματος κοντά στην επιφάνεια των αγωγών, οπότε η απλή αύξηση της διατομής έχει περιορισμένο αποτέλεσμα. Μπορείτε να εξετάσετε το ενδεχόμενο να επικαλύψετε τον αγωγό με ασήμι, καθώς το ασήμι έχει καλύτερη αγωγιμότητα από πολλά άλλα μέταλλα και μπορεί να μειώσει την αντίσταση του αγωγού.
- Μικρότερη επαγωγή. Ο καλύτερος τρόπος είναι να αυξηθεί η επιφάνεια γείωσης. Στην πράξη, τα κοντά καλώδια γείωσης και η μεγάλη επιφάνεια γείωσης προσφέρουν καλύτερη προστασία από τις παρεμβολές.
Σε αυτό το σημείο, κάποιοι μπορεί να αναρωτηθούν τι θεωρείται κύκλωμα υψηλής συχνότητας. Σύμφωνα με το βιβλίο του καθηγητή Γιανγκ Τζισέν Τεχνολογία ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC), Συνήθως, τα κυκλώματα με συχνότητα κάτω του 1 MHz θεωρούνται χαμηλής συχνότητας και μπορούν να χρησιμοποιούν γείωση ενός σημείου. Τα κυκλώματα με συχνότητα άνω των 10 MHz θεωρούνται υψηλής συχνότητας και θα πρέπει να χρησιμοποιούν γείωση πολλαπλών σημείων. Εάν το μακρύτερο καλώδιο γείωσης έχει μήκος μικρότερο από το 1/20 του μήκους κύματος στα 1 MHz ή στα 10 MHz, η γείωση ενός σημείου μπορεί ακόμα να λειτουργήσει. Διαφορετικά, χρησιμοποιήστε γείωση πολλαπλών σημείων.
Δ. Μικτό έδαφος
Εάν το κύκλωμα περιλαμβάνει σήματα τόσο υψηλής όσο και χαμηλής συχνότητας, η μικτή γείωση αποτελεί μια καλή επιλογή. (Το αρχικό κείμενο αναφερόταν σε ένα άλλο σχήμα σε αυτό το σημείο.)
Παρατηρήστε το σχήμα και τις δύο δομές που απεικονίζονται. Για την πρώτη δομή, ας υποθέσουμε ότι λειτουργεί κυρίως σε περιβάλλον χαμηλών συχνοτήτων. Από τον τύπο της χωρητικής αντίστασης Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 γνωρίζουμε ότι σε χαμηλές συχνότητες η χωρητική αντίσταση είναι μεγάλη, ενώ σε υψηλές συχνότητες είναι μικρή. Έτσι, σε αυτή τη σύνδεση, η σύνδεση γείωσης είναι ανοιχτή σε χαμηλές συχνότητες και σχεδόν κλειστή σε υψηλές συχνότητες. Αυτή η σύνδεση μπορεί να αποτρέψει τις παρεμβολές βρόχου γείωσης.
Για τη δεύτερη δομή, ας υποθέσουμε ότι λειτουργεί κυρίως σε περιβάλλον υψηλών συχνοτήτων. Από τον τύπο της επαγωγικής αντίστασης ZL=2πfLZ_L = 2\pi f LZL=2πfL γνωρίζουμε ότι η επαγωγική αντίσταση είναι μικρή στις χαμηλές συχνότητες και μεγάλη στις υψηλές συχνότητες. Έτσι, σε αυτή τη σύνδεση, η σύνδεση γείωσης συμπεριφέρεται ως αγωγός σε χαμηλές συχνότητες και είναι ανοιχτή σε υψηλές συχνότητες. Αυτή η σύνδεση μπορεί να αποτρέψει τα ρεύματα βρόχου γείωσης.
3 — Τρόποι σύνδεσης διαφορετικών γειώσεων
Εάν δεν επιλέξετε να χρησιμοποιήσετε ένα ολόκληρο επίπεδο ως κοινό γείωση και ένα δομοστοιχείο διαθέτει δύο δίκτυα γείωσης, πρέπει να χωρίσετε το επίπεδο γείωσης. Αυτό συχνά αλληλεπιδρά με το επίπεδο τροφοδοσίας. Οι τρόποι σύνδεσης των γειώσεων είναι οι εξής:
- Συνηθισμένη διαφορά τάσης μεταξύ των γειώσεων. Αυτό εξασφαλίζει μια αξιόπιστη σύνδεση χαμηλής σύνθετης αντίστασης για σήματα μεσαίων και χαμηλών συχνοτήτων.
- Υψηλή αντίσταση μεταξύ των γειώσεων. Μια αντίσταση μεγάλης τιμής επιτρέπει τη διέλευση ενός ελάχιστου ρεύματος διαρροής, εφόσον εφαρμοστεί τάση στα άκρα της. Αυτό θα προκαλέσει τη σταδιακή απώλεια φορτίου, έως ότου η διαφορά δυναμικού μηδενιστεί. Χρησιμοποιήστε αυτή τη μέθοδο για να γειώσετε απαλά τις «αιωρούμενες» γειώσεις.
- Πυκνωτής μεταξύ των γειώσεων. Ένας πυκνωτής εμποδίζει το συνεχές ρεύμα αλλά επιτρέπει τη διέλευση του εναλλασσόμενου ρεύματος. Χρησιμοποιήστε τον σε συστήματα με «αιωρούμενη γείωση» για να επιτρέπετε τη διέλευση θορύβου υψηλής συχνότητας, ενώ ταυτόχρονα εμποδίζετε το συνεχές ρεύμα.
- Φερριτική σφαίρα (μαγνητική σφαίρα) μεταξύ των γειώσεων. Ένα σφαιρίδιο φερρίτη λειτουργεί ως αντιστάτης που εξαρτάται από τη συχνότητα. Συμπεριφέρεται ως αντιστάτης στις υψηλές συχνότητες. Χρησιμοποιήστε το για γειώσεις ασθενών σημάτων με μικρές και γρήγορες αιχμές ρεύματος.
- Πηνίο μεταξύ των γειώσεων. Ένας επαγωγέας αντιστέκεται στις απότομες μεταβολές. Μπορεί να εξομαλύνει τις αιχμές και να γεμίσει τα κενά. Χρησιμοποιήστε τον μεταξύ γειώσεων που παρουσιάζουν μεγάλες διακυμάνσεις ρεύματος.
- Μικρή αντίσταση μεταξύ των γειώσεων. Μια μικρή αντίσταση προσθέτει απόσβεση για να επιβραδύνει τις απότομες μεταβολές του ρεύματος γείωσης. Όταν το ρεύμα μεταβάλλεται απότομα, αυτή η αντίσταση καθιστά την ανερχόμενη ακμή λιγότερο απότομη.
Όλες αυτές οι επιλογές προσφέρουν τρόπους για τον έλεγχο του τρόπου με τον οποίο μεταδίδεται ο θόρυβος μεταξύ των γειώσεων.
4 — Αναλογική γείωση και ψηφιακή γείωση
Τόσο τα αναλογικά όσο και τα ψηφιακά σήματα χρειάζονται επιστροφή στη γείωση. Τα ψηφιακά σήματα μεταβάλλονται γρήγορα. Προκαλούν μεγάλο θόρυβο στη ψηφιακή γείωση. Τα αναλογικά σήματα χρειάζονται μια καθαρή αναφορά γείωσης για να λειτουργούν σωστά. Εάν αναμιχθούν οι αναλογικές και οι ψηφιακές γειώσεις, ο θόρυβος από την ψηφιακή γείωση θα επηρεάσει τα αναλογικά σήματα.
Γενικά, διαχωρίστε τη γείωση του αναλογικού κυκλώματος από αυτή του ψηφιακού. Στη συνέχεια, συνδέστε τις με ένα λεπτό ίχνος ή σε ένα μόνο σημείο. Ο βασικός σκοπός είναι να αποτραπεί η εισροή θορύβου από τη γείωση του ψηφιακού κυκλώματος στη γείωση του αναλογικού.
5 — Γη των αστεριών
Η θεωρία πίσω από τη γείωση τύπου “αστέρα” είναι ότι υπάρχει ένα σημείο στο κύκλωμα που χρησιμεύει ως σημείο αναφοράς για όλες τις τάσεις. Αυτό είναι το σημείο «αστέρα». Μπορείτε να το φανταστείτε: πολλά καλώδια εκτείνονται από ένα κοινό σημείο ακτινωτά, όπως οι ακτίνες ενός αστεριού. Το σημείο αστέρα μπορεί να μην μοιάζει με αστέρα στην πλακέτα. Μπορεί να είναι ένα σημείο στο επίπεδο γείωσης. Ένα βασικό χαρακτηριστικό ενός συστήματος γείωσης τύπου αστέρα είναι ότι όλες οι τάσεις μετρώνται σε σχέση με το ίδιο σημείο στο δίκτυο γείωσης, και όχι σε κάποιο αβέβαιο σημείο αναφοράς «γείωσης».
6 — Πώς να γειώσετε τις θωρακίσεις
Η θωράκιση ενός καλωδίου με θωράκιση και το καλώδιο εκκένωσης του καλωδίου πρέπει να συνδέονται με τη γείωση της διεπαφής της πλακέτας, και όχι με τη γείωση σήματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η γείωση σήματος συχνά μεταφέρει πολλές τάσεις θορύβου. Εάν η θωράκιση συνδεθεί με τη θορυβώδη γείωση σήματος, η τάση θορύβου θα προκαλέσει ρεύμα κοινού τρόπου στη θωράκιση και θα προκαλέσει εξωτερικές παρεμβολές. Ο κακός σχεδιασμός των καλωδίων και η κακή γείωση της θωράκισης αποτελούν συχνά τη μεγαλύτερη πηγή ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI).
Περίληψη
Στην πράξη, επιλέξτε τη μέθοδο γείωσης που ταιριάζει στο περιβάλλον λειτουργίας. Μια σωστή επιλογή μπορεί να αποτρέψει τις παρεμβολές και να εξασφαλίσει τη βέλτιστη απόδοση του κυκλώματος.
- Φροντίστε οι βρόχοι επιστροφής να είναι μικροί, ώστε να μειωθεί η ακτινοβολία.
- Τοποθετήστε τις διαδρομές υψηλής ταχύτητας δίπλα σε συνεχόμενα επίπεδα γείωσης, για σταθερή σύνθετη αντίσταση.
- Αποφύγετε, όπου είναι δυνατόν, να διασχίζετε τα σημεία διαχωρισμού των επιπέδων ισχύος.
- Για συστήματα χαμηλής συχνότητας (< 1 MHz), η γείωση ενός σημείου είναι συχνά επαρκής.
- Για συστήματα υψηλής συχνότητας (> 10 MHz) χρησιμοποιήστε γείωση πολλαπλών σημείων και σύντομες διαδρομές γείωσης με μεγάλη επιφάνεια επιστροφής.
- Για μικτά συστήματα, χρησιμοποιήστε μια υβριδική προσέγγιση με πυκνωτές, πηνία, αντιστάσεις, σφαιρίδια φερρίτη ή μικρά κυκλώματα για τον έλεγχο της σύζευξης.
- Διαχωρίστε τις αναλογικές και τις ψηφιακές γειώσεις και συνδέστε τις προσεκτικά.
- Συνδέστε τις θωρακίσεις των καλωδίων στη γείωση του συνδετήρα ή στη γείωση του πλαισίου, και όχι στη γείωση του σήματος που παρουσιάζει θόρυβο.
Αυτά τα βήματα θα συμβάλουν στη μείωση της αντίστασης γείωσης και του θορύβου γείωσης, ώστε το σύστημα να είναι πιο σταθερό και αξιόπιστο.
