ردیابیهای زمین و سطوح زمین امپدانس دارند. وقتی جریان از مسیر زمین عبور میکند، ولتاژی روی آن مسیر ظاهر میشود. این ولتاژ نویز است. ولتاژ نویز یکی از منابع تداخل است که میتواند به پایداری سیستم آسیب برساند. بنابراین برای کاهش نویز زمین باید ابتدا امپدانس زمین را کاهش دهیم.
همانطور که همه میدانند، زمین مسیر بازگشت جریان است. برای هر سیگنال، سیگنال باید مسیری برای بازگشت به زمین پیدا کند که کمترین امپدانس را داشته باشد. بنابراین نحوهٔ مدیریت آن مسیر بازگشت بسیار مهم است.
۱ — چرا اندازه و شکل مسیر بازگشت اهمیت دارد
ابتدا، از فرمول تابش میدانیم که شدت تابش متناسب با مساحت حلقه است. این بدان معناست که هرچه مسیر بازگشت طولانیتر و حلقهای که ایجاد میکند بزرگتر باشد، تابش بیشتری خواهد داشت و مدارهای دیگر را مختل میکند. بنابراین هنگام چیدمان PCB باید سعی کنید حلقههای بازگشت تغذیه و سیگنال را تا حد امکان کوچک نگه دارید.
ثانیاً، برای یک سیگنال پرسرعت، فراهم کردن یک مسیر بازگشت مناسب به حفظ کیفیت سیگنال آن کمک میکند. این به آن دلیل است که امپدانس مشخصه یک خط انتقال روی PCB معمولاً با توجه به یک پلن زمین (یا پلن تغذیه) محاسبه میشود. اگر یک پلن زمین پیوسته در نزدیکی مسیر پرسرعت وجود داشته باشد، امپدانس مسیر ثابت باقی میماند. اگر بخشی از مسیر در نزدیکی خود مرجع زمین نداشته باشد، امپدانس آن تغییر خواهد کرد. این ناپیوستگی امپدانس به یکپارچگی سیگنال آسیب میرساند. بنابراین، هنگام مسیریابی، مسیرهای با سرعت بالا را در لایههایی نزدیک به یک پلهی زمین قرار دهید. یا یک یا دو مسیر زمین را به موازات مسیر با سرعت بالا اجرا کنید. این مسیرهای زمین مانند یک سپر عمل کرده و یک مسیر بازگشت نزدیک فراهم میکنند.
سوم، تا حد امکان از مسیریابی سیگنالها روی سطوح تغذیه تقسیمشده خودداری کنید. دلیل آن این است که وقتی سیگنال از تقسیمهای مختلف تغذیه یا زمین عبور میکند، مسیر بازگشت آن طولانی شده و ممکن است دچار تداخل شود. با این حال، برای سیگنالهای کمسرعت عبور از تقسیمها بهطور قاطع ممنوع نیست، زیرا تداخلی که ایجاد میکنند میتواند اندک باشد. برای سریعالسیر این سیگنالها به شما هشدار میدهند که باید مراقب باشید و تا جای ممکن از عبور از شکافها خودداری کنید. همچنین میتوانید مسیرگذاری لایههای تغذیه را تغییر دهید تا کمک کند.
بسیاری از مشکلات تداخل الکترومغناطیسی ناشی از طراحی زمین است. پتانسیل زمین مرجع کل مدار است. اگر زمین پایدار نباشد، مدار ممکن است از کار بیفتد. هدف از طراحی زمین این است که پتانسیل زمین را تا حد امکان پایدار نگه دارد و بدین ترتیب تداخلها را از بین ببرد.
روشهای زمینکردن سیگنال معمولاً در چهار نوع دستهبندی میشوند: زمین شناور، زمین تکنقطهای، زمین چندنقطهای و زمین ترکیبی.
۲ — انواع زمین
الف. زمین شناور
هدف: مدار یا دستگاه را از هادیهای مشترک که میتوانند باعث ایجاد حلقههای زمین شوند، ایزوله نگه دارید. زمین شناور همچنین جفت کردن مدارهایی را که پتانسیلهای متفاوتی دارند، آسانتر میکند.
نقطهضعف: این میتواند بهراحتی بار الکترواستاتیک را انباشته کرده و باعث تخلیهٔ الکترواستاتیک قوی (ESD) شود.
توافق: مقاومتهای تخلیه را برای تخلیه بار اضافه کنید.
B. زمین تکنقطهای
زمین نقطهای واحد به این معناست که زمین هر مدار در یک نقطه واحد به زمین مشترک متصل میشود. این روش به دو نوع سری نقطهای واحد و موازی نقطهای واحد تقسیم میشود. از زمین نقطهای واحد در سیستمهایی که مدارهای پرقدرت و کمقدرت با هم ترکیب شدهاند استفاده نکنید. جریانهای زمین بخش پرقدرت بر بخشهای کمقدرت تأثیر خواهند گذاشت. همچنین حساسترین مدار باید در نقطه مشترک قرار گیرد، زیرا آن نقطه پایدارترین پتانسیل را دارد.
بزرگترین مزیت زمین نقطهای واحد این است که هیچ حلقه زمینی وجود ندارد، بنابراین طراحی نسبتاً ساده است. اما سیمهای زمین میتوانند بلند باشند و امپدانس زمین میتواند بزرگ باشد.
ارت یکنقطهای را میتوان به دو روش انجام داد:
- زمین نقطهای سری — این ساده است. اما چون یک هادی زمین مشترک وجود دارد، یک امپدانس زمین مشترک پدید میآید. اگر مدارهای سری دارای سطوح توان بسیار متفاوت باشند، بهشدت با یکدیگر تداخل خواهند داشت.
- زمین تکنقطهای موازی — هر مدار سیم زمین خود را بهطور جداگانه به نقطه مشترک میرساند. این کار از کوپل شدن روی زمین مشترک جلوگیری میکند. اما به سیمهای زمین زیادی نیاز دارد و در بسیاری از موارد عملی نیست.
در طراحیهای واقعی میتوانید از رویکرد نقطهای ترکیبی استفاده کنید که هم بهصورت سری و هم موازی عمل میکند. مدارهایی را که با یکدیگر تداخل ندارند روی یک لایه قرار دهید. مدارهایی را که بهراحتی تداخل ایجاد میکنند روی لایههای مختلف قرار دهید. سپس لایههای زمین را در نقطه مشترک بهصورت موازی متصل کنید. (متن اصلی در اینجا به یک شکل اشاره کرده بود.)
کاربرد: ارت تکنقطهای برای فرکانسهای کاری پایین (< ۱ مگاهرتز) مناسب است.
نقطهضعف: برای موقعیتهای با فرکانس بالا مناسب نیست.
زمین نقطهای برای مدارهای فرکانس بالا مناسب نیست زیرا سیمهای زمین طولانی هستند و امپدانس ناشی از آنها اجتنابناپذیر است. برای فرکانسهای بالا، زمین چندنقطهای را در نظر بگیرید.
C. اتصال زمین چندنقطهای
برای فرکانسهای کاری بالا (> ۳۰ مگاهرتز) از زمینکردن چندنقطهای استفاده کنید. در طرح چندنقطهای، حلقههای بازگشت زمین مجزا را با یک صفحهٔ زمین مشترک که هر بخش مدار میتواند از آن استفاده کند، جایگزین میکنید. امپدانس القایی سیم زمین با افزایش فرکانس و طول سیم افزایش مییابد. در فرکانسهای بالا، امپدانس زمین مشترک بالا میرود. بنابراین باید طول سیم زمین را تا حد امکان کوتاه نگه دارید.
هنگام استفاده از زمین چندنقطهای، سعی کنید نزدیکترین سطح زمین با امپدانس پایین را برای اتصال پیدا کنید. مدارهای دیجیتال با فرکانس بالا به زمینکردن موازی نیاز دارند. یک روش ساده برای این کار استفاده از ویای زمین است. وقتی مدارها با فرکانس بالا کار میکنند، تصور کنید سیگنال فرکانس بالا در امتداد یک مسیر زمین حرکت میکند و مدارهای اطراف را تحت تأثیر قرار میدهد. این میتواند بسیار نامطلوب باشد. بنابراین همه مدارها باید در نزدیکی زمین بازگردند. مسیرهای زمین باید کوتاه باشند. به همین دلیل زمین چندنقطهای وجود دارد.
هدف از زمین چندنقطهای کاهش امپدانس زمین است. برای کاهش امپدانس در یک مدار فرکانس بالا، دو عامل را در نظر بگیرید: کاهش مقاومت زمین و کاهش القاپذیری زمین.
روشها:
- مقاومت کمتر رسانا. از رابطه بین مقاومت و سطح مقطع میدانیم که افزایش سطح مقطع رسانا مقاومت DC را کاهش میدهد. اما در فرکانسهای بالا اثر پوست باعث میشود جریان نزدیک سطح رساناها جاری شود، بنابراین صرفاً افزایش سطح مقطع تأثیر محدودی دارد. میتوانید رسانا را با نقره آبکاری کنید، زیرا نقره رسانایی بهتری نسبت به بسیاری از فلزات دیگر دارد و میتواند مقاومت رسانا را کاهش دهد.
- خوداندمپانس کمتر. بهترین روش افزایش مساحت زمین است. در عمل، سیمهای زمین کوتاه و مساحت زمین بزرگ عملکرد بهتری در برابر تداخل دارند.
در این مرحله، برخی ممکن است بپرسند چه چیزی بهعنوان یک مدار با فرکانس بالا محسوب میشود. بر اساس کتاب پروفسور یانگ جیشِن فناوری سازگاری الکترومغناطیسی (EMC), معمولاً مدارهایی که فرکانسشان زیر ۱ مگاهرتز است، فرکانس پایین محسوب میشوند و میتوانند از زمین نقطهای واحد استفاده کنند. مدارهایی که فرکانسشان بالای ۱۰ مگاهرتز است، فرکانس بالا محسوب میشوند و باید از زمین چندنقطهای استفاده کنند. اگر بلندترین مسیر زمین کمتر از ۱/۲۰ طول موج در ۱ مگاهرتز یا ۱۰ مگاهرتز باشد، زمینگیری نقطهای واحد همچنان میتواند کار کند. در غیر این صورت از زمینگیری چندنقطهای استفاده کنید.
د. مخلوط
اگر مدار هم سیگنالهای فرکانس بالا و هم سیگنالهای فرکانس پایین داشته باشد، زمینکردن ترکیبی انتخاب خوبی است. (متن اصلی در اینجا به شکل دیگری ارجاع داده بود.)
به شکل و دو ساختار نشاندادهشده نگاه کنید. برای ساختار اول فرض کنید که عمدتاً در محیطی با فرکانس پایین کار میکند. از فرمول واکنش خازنی Zc = 12πfC_c = 1/(2πfC) میدانیم که در فرکانس پایین واکنش خازنی بزرگ و در فرکانس بالا کوچک است. بنابراین در این سیمکشی، اتصال زمین در فرکانس پایین باز و در فرکانس بالا تقریباً بسته است. این سیمکشی میتواند از تداخل حلقه زمین جلوگیری کند.
برای ساختار دوم فرض کنید که عمدتاً در محیط فرکانس بالا کار میکند. از فرمول راکتانس القایی ZL = 2πfL میدانیم که راکتانس القایی در فرکانس پایین کم و در فرکانس بالا زیاد است. بنابراین در این سیمکشی، اتصال زمین در فرکانس پایین مانند یک هادی رفتار میکند و در فرکانس بالا باز است. این سیمکشی میتواند از جریانهای حلقه زمین جلوگیری کند.
۳ — روشهای اتصال زمینهای مختلف
اگر تصمیم نگیرید از یک پلن کامل بهعنوان زمین مشترک استفاده کنید و یک ماژول دو شبکهٔ زمین داشته باشد، باید پلن زمین را تقسیم کنید. این اغلب با پلن تغذیه تداخل دارد. روشهای اتصال زمینها عبارتند از:
- رد معمولی بین زمینها. این یک اتصال با امپدانس پایین و قابلاعتماد برای سیگنالهای فرکانس متوسط و پایین فراهم میکند.
- مقاومت بالا بین زمینها. یک مقاومت بزرگ در صورتی که ولتاژی بین دو سر آن قرار گیرد، اجازه میدهد جریان نشتی ناچیزی عبور کند. این جریان بهتدریج بار را تخلیه میکند تا اختلاف پتانسیل به صفر برسد. از این ویژگی برای اتصال ملایم زمینهای شناور استفاده کنید.
- خازن بین زمینها. یک خازن جریان مستقیم را مسدود میکند اما جریان متناوب را عبور میدهد. از این در سیستمهای زمین شناور استفاده کنید تا نویز فرکانس بالا را عبور داده و جریان مستقیم را مسدود کند.
- مهره فریت (مهره مغناطیسی) بین دو زمین. یک هستهٔ فریت مانند یک مقاومت وابسته به فرکانس عمل میکند. در فرکانسهای بالا مقاومت نشان میدهد. از آن برای زمین سیگنالهای ضعیف با پیکهای کوتاه و سریع جریان استفاده کنید.
- اینداکتور بین زمینها. یک القاگر در برابر تغییرات سریع مقاومت میکند. میتواند قلهها را صاف کرده و درهها را پر کند. از آن بین دو زمین که نوسانات جریان زیادی دارند استفاده کنید.
- مقاومت کوچکی بین دو زمین. یک مقاومت کوچک میرایی را افزایش میدهد تا تغییرات سریع جریان زمین را کند کند. وقتی جریان بهسرعت تغییر میکند، این مقاومت شیب لبه صعودی را کمتر میکند.
تمام این گزینهها راههایی را برای کنترل نحوه انتقال نویز بین زمینها فراهم میکنند.
۴ — زمین آنالوگ و زمین دیجیتال
سیگنالهای آنالوگ و دیجیتال هر دو نیاز به بازگشت به زمین دارند. سیگنالهای دیجیتال سریع تغییر میکنند و نویز زیادی روی زمین دیجیتال ایجاد میکنند. سیگنالهای آنالوگ برای عملکرد مناسب به یک مرجع زمین تمیز نیاز دارند. اگر زمینهای آنالوگ و دیجیتال با هم مخلوط شوند، نویز زمین دیجیتال بر سیگنالهای آنالوگ تأثیر خواهد گذاشت.
بهطور کلی، زمینهای آنالوگ و دیجیتال را از هم جدا کنید. سپس آنها را با یک مسیر نازک یا در یک نقطه واحد به هم متصل کنید. ایده اصلی جلوگیری از ورود نویز زمین دیجیتال به زمین آنالوگ است.
۵ — ستاره زمین
نظریهٔ زمینکردن ستارهای این است که یک نقطه در مدار وجود دارد که بهعنوان مرجع برای همهٔ ولتاژها عمل میکند. این نقطه، نقطهٔ ستاره است. میتوانید آن را تصور کنید: سیمهای زیادی از یک نقطه مشترک بهصورت شعاعی مانند پرتوهای یک ستاره امتداد یافتهاند. نقطه ستاره ممکن است روی برد شبیه ستاره نباشد. ممکن است نقطهای روی صفحه زمین باشد. یکی از ویژگیهای کلیدی سیستم زمین ستارهای این است که تمام ولتاژها نسبت به همان نقطه در شبکه زمین اندازهگیری میشوند، نه نسبت به یک مرجع “زمین” نامطمئن.
۶ — چگونه شیلدها را به زمین متصل کنیم
شیلد کابل شیلددار و سیم تخلیهٔ کابل باید به زمین رابط برد متصل شوند، نه به زمین سیگنال. دلیل آن این است که زمین سیگنال اغلب ولتاژهای نویز زیادی را حمل میکند. اگر شیلد به زمین سیگنال نویزی متصل شود، ولتاژ نویز جریان حالت مشترک را در شیلد ایجاد کرده و باعث تداخل خارجی میشود. طراحی نامناسب کابل و اتصال ضعیف شیلد به زمین اغلب بزرگترین منبع EMI هستند.
خلاصه
در عمل، روشی را برای اتصال به زمین انتخاب کنید که با محیط عملیاتی سازگار باشد. یک انتخاب مناسب میتواند از تداخل جلوگیری کرده و بهترین عملکرد مدار را فراهم کند.
- برای کاهش تابش، حلقههای بازگشتی را کوچک نگه دارید.
- برای دستیابی به امپدانس پایدار، ردهای با سرعت بالا را در کنار صفحات زمین پیوسته قرار دهید.
- در صورت امکان از عبور از تقسیمبندیهای پلهی توان خودداری کنید.
- برای سیستمهای کمفرکانس (< ۱ مگاهرتز)، زمین نقطهای اغلب کار میکند.
- برای سیستمهای فرکانس بالا (> 10 مگاهرتز) از زمین چندنقطهای و مسیرهای زمین کوتاه با سطح بازگشت زیاد استفاده کنید.
- برای سیستمهای ترکیبی از رویکردی هیبریدی با خازنها، القاکنندهها، مقاومتها، حلقههای فریت یا مسیرهای کوتاه برای کنترل کوپلینگ استفاده کنید.
- زمینهای آنالوگ و دیجیتال را از هم جدا کرده و با دقت به هم متصل کنید.
- شیلد کابلها را به زمین کانکتور یا زمین شاسی متصل کنید، نه به زمین سیگنال نویزدار.
این مراحل به کاهش امپدانس زمین و کاهش نویز زمین کمک میکنند، بنابراین سیستم پایدارتر و قابلاعتمادتر خواهد بود.
