Các đường dẫn nối đất và mặt phẳng nối đất đều có trở kháng. Khi dòng điện chạy qua một đường dẫn nối đất, sẽ xuất hiện điện áp trên đường dẫn đó. Điện áp này chính là nhiễu. Điện áp nhiễu là một trong những nguồn gây nhiễu có thể ảnh hưởng xấu đến độ ổn định của hệ thống. Do đó, để giảm nhiễu nối đất, trước tiên chúng ta phải giảm trở kháng nối đất.
Như mọi người đều biết, đất là đường dẫn trở về của dòng điện. Đối với bất kỳ tín hiệu nào, tín hiệu đó phải tìm được một đường dẫn trở về đất có trở kháng thấp nhất. Vì vậy, cách chúng ta xử lý đường dẫn trở về đó là rất quan trọng.
1 — Tại sao kích thước và hình dạng của đường truyền ngược lại lại quan trọng
Thứ nhất, từ công thức về bức xạ, chúng ta biết rằng cường độ bức xạ tỷ lệ thuận với diện tích vòng lặp. Điều này có nghĩa là đường dẫn trở về càng dài và vòng lặp tạo thành càng lớn, thì mức độ bức xạ càng cao và càng gây nhiễu cho các mạch khác. Vì vậy, khi thiết kế mạch in (PCB), bạn nên cố gắng làm cho các vòng lặp trở về của nguồn điện và tín hiệu càng nhỏ càng tốt.
Thứ hai, đối với tín hiệu tốc độ cao, việc đảm bảo đường dẫn trở về tốt sẽ giúp duy trì chất lượng tín hiệu. Điều này là do trở kháng đặc trưng của đường truyền trên bảng mạch in (PCB) thường được tính toán dựa trên mặt phẳng nối đất (hoặc mặt phẳng cấp nguồn). Nếu có một mặt phẳng nối đất liên tục gần đường dẫn tốc độ cao, trở kháng của đường dẫn sẽ giữ nguyên. Nếu một đoạn của đường dẫn không có tham chiếu nối đất gần đó, trở kháng sẽ thay đổi. Sự gián đoạn trở kháng này sẽ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu. Do đó, khi định tuyến, hãy đặt các đường dẫn tốc độ cao trên các lớp gần mặt phẳng nối đất. Hoặc chạy một hoặc hai đường dẫn nối đất song song bên cạnh đường dẫn tốc độ cao. Các đường dẫn nối đất này hoạt động như một lớp chắn và cung cấp một đường dẫn trở về gần đó.
Thứ ba, nếu có thể, hãy tránh dẫn tín hiệu qua các vùng phân chia nguồn điện. Điều này là do khi tín hiệu đi qua các vùng phân chia nguồn điện hoặc đất khác nhau, đường dẫn trở về của nó sẽ trở nên dài và có thể bị nhiễu. Tuy nhiên, đối với các tín hiệu tốc độ thấp, việc đi qua các vùng phân chia này không bị cấm tuyệt đối vì mức nhiễu mà chúng gây ra có thể không đáng kể. Đối với tốc độ cao Đây là những dấu hiệu cho thấy bạn cần thận trọng và tránh đi qua các điểm phân nhánh nếu có thể. Bạn cũng có thể thử thay đổi lộ trình của các lớp nguồn để khắc phục vấn đề này.
Nhiều vấn đề về nhiễu điện từ xuất phát từ thiết kế mạch nối đất. Điện thế nối đất là mốc tham chiếu cho toàn bộ mạch. Nếu mạch nối đất không ổn định, mạch có thể bị hỏng. Mục tiêu của thiết kế mạch nối đất là duy trì điện thế nối đất ổn định nhất có thể, từ đó loại bỏ nhiễu.
Các phương pháp nối đất tín hiệu thường được chia thành bốn loại: nối đất nổi, nối đất một điểm, nối đất nhiều điểm và nối đất hỗn hợp.
2 — Các loại nối đất
A. Đất nổi
Mục đích: Giữ cho mạch hoặc thiết bị được cách ly với các dây dẫn chung có thể gây ra hiện tượng vòng lặp nối đất. Nối đất nổi cũng giúp việc ghép nối các mạch có điện thế khác nhau trở nên dễ dàng hơn.
Nhược điểm: Nó có thể dễ dàng tích tụ điện tích tĩnh và gây ra hiện tượng phóng điện tĩnh (ESD) mạnh.
Thỏa hiệp: Lắp thêm các điện trở xả để giải phóng điện tích.
B. Nối đất một điểm
Nối đất một điểm có nghĩa là điểm nối đất của mọi mạch đều kết nối với điểm nối đất chung tại cùng một vị trí. Hình thức này có thể chia thành hai loại: nối đất một điểm nối tiếp và nối đất một điểm song song. Không nên sử dụng hệ thống nối đất một điểm trong các hệ thống có sự kết hợp giữa các mạch công suất cao và công suất thấp. Dòng điện nối đất từ phần công suất cao sẽ ảnh hưởng đến các phần công suất thấp. Ngoài ra, mạch nhạy cảm nhất nên được đặt tại điểm chung, vì điểm này có điện thế ổn định nhất.
Ưu điểm lớn nhất của hệ thống nối đất một điểm là không có vòng lặp nối đất, do đó thiết kế tương đối đơn giản. Tuy nhiên, dây nối đất có thể dài và trở kháng nối đất có thể lớn.
Việc nối đất một điểm có thể thực hiện theo hai cách:
- Dòng sản phẩm nối đất một điểm — Điều này rất đơn giản. Tuy nhiên, do có dây dẫn nối đất chung nên sẽ tồn tại một trở kháng nối đất chung. Nếu các mạch nối tiếp có mức công suất chênh lệch nhau rất lớn, chúng sẽ gây nhiễu lẫn nhau một cách mạnh mẽ.
- Nối đất song song một điểm — Mỗi mạch đều có một dây nối đất riêng dẫn trở lại điểm nối đất chung. Điều này giúp tránh hiện tượng ghép pha trên đường nối đất chung. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều dây nối đất và trong nhiều trường hợp không thực tế.
Trong các thiết kế thực tế, bạn có thể áp dụng phương pháp kết hợp một điểm, kết hợp cả cách nối tiếp và song song. Đặt các mạch không gây nhiễu lẫn nhau trên cùng một lớp. Đặt các mạch dễ gây nhiễu lẫn nhau trên các lớp khác nhau. Sau đó, nối các lớp đất song song tại điểm chung. (Bản gốc có đề cập đến một hình minh họa tại đây.)
Cách sử dụng: Nối đất một điểm phù hợp với các tần số hoạt động thấp (< 1 MHz).
Nhược điểm: Không phù hợp với các tình huống có tần suất cao.
Nối đất một điểm không phù hợp với các mạch tần số cao vì các dây nối đất dài và trở kháng từ các dây này là điều không thể tránh khỏi. Đối với tần số cao, nên xem xét phương án nối đất nhiều điểm.
C. Nối đất đa điểm
Sử dụng phương pháp nối đất đa điểm cho các tần số hoạt động cao (> 30 MHz). Trong sơ đồ nối đất đa điểm, bạn thay thế các vòng lặp nối đất riêng lẻ bằng một mặt phẳng nối đất mà mỗi phần của mạch có thể sử dụng. Điện kháng cảm ứng của dây nối đất tăng theo tần số và chiều dài dây. Ở tần số cao, trở kháng nối đất chung tăng lên. Do đó, bạn phải giữ chiều dài dây nối đất càng ngắn càng tốt.
Khi sử dụng hệ thống nối đất đa điểm, hãy cố gắng tìm bề mặt nối đất có trở kháng thấp gần nhất để kết nối. Các mạch số tần số cao cần được nối đất song song. Một cách đơn giản để thực hiện điều này là sử dụng các lỗ nối đất (ground vias). Khi các mạch hoạt động ở tần số cao, hãy tưởng tượng một tín hiệu tần số cao di chuyển dọc theo đường dẫn nối đất và ảnh hưởng đến các mạch lân cận. Điều này có thể gây ra hậu quả rất nghiêm trọng. Do đó, tất cả các mạch phải được nối đất tại vị trí gần nhất. Các đường dẫn nối đất phải ngắn. Đó chính là lý do tại sao hệ thống nối đất đa điểm được áp dụng.
Mục tiêu của hệ thống nối đất đa điểm là giảm trở kháng nối đất. Để giảm trở kháng trong mạch tần số cao, cần xem xét hai yếu tố: giảm điện trở nối đất và giảm điện cảm nối đất.
Phương pháp:
- Giảm điện trở của dây dẫn. Từ mối quan hệ giữa điện trở và diện tích mặt cắt ngang, chúng ta biết rằng việc tăng diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn sẽ làm giảm điện trở một chiều. Tuy nhiên, ở tần số cao, hiệu ứng da khiến dòng điện chạy gần bề mặt của dây dẫn, do đó việc chỉ đơn thuần tăng diện tích mặt cắt ngang sẽ chỉ mang lại hiệu quả hạn chế. Bạn có thể cân nhắc mạ bạc lên bề mặt dây dẫn vì bạc có độ dẫn điện tốt hơn nhiều kim loại khác và có thể giúp giảm điện trở của dây dẫn.
- Độ tự cảm thấp hơn. Cách tốt nhất là tăng diện tích tiếp đất. Trên thực tế, các dây nối đất ngắn và diện tích tiếp đất lớn sẽ mang lại hiệu quả chống nhiễu tốt hơn.
Lúc này, có thể một số người sẽ thắc mắc thế nào mới được coi là mạch tần số cao. Theo cuốn sách của Giáo sư Yang Jishen Công nghệ Tương thích Điện từ (EMC), Thông thường, các mạch có tần số dưới 1 MHz được coi là tần số thấp và có thể sử dụng phương pháp nối đất một điểm. Các mạch có tần số trên 10 MHz được coi là tần số cao và nên sử dụng phương pháp nối đất nhiều điểm. Nếu chiều dài của dây nối đất dài nhất nhỏ hơn 1/20 bước sóng tại tần số 1 MHz hoặc 10 MHz, thì phương pháp nối đất một điểm vẫn có thể hoạt động. Trong trường hợp khác, hãy sử dụng nối đất đa điểm.
D. Đất hỗn hợp
Nếu mạch có cả tín hiệu tần số cao và tần số thấp, thì phương pháp nối đất hỗn hợp là một lựa chọn phù hợp. (Bản gốc có đề cập đến một hình vẽ khác tại đây.)
Hãy xem hình vẽ và hai cấu trúc được trình bày. Đối với cấu trúc thứ nhất, giả sử nó hoạt động chủ yếu trong môi trường tần số thấp. Từ công thức tính điện kháng dung kháng Z_c = \frac{1}{2\pi f C}, ta biết rằng ở tần số thấp, điện kháng dung kháng có giá trị lớn, trong khi ở tần số cao, nó có giá trị nhỏ. Do đó, trong cách nối dây này, đường nối đất sẽ mở ở tần số thấp và gần như đóng ở tần số cao. Cách nối dây này có thể tránh được nhiễu vòng lặp đất.
Đối với cấu trúc thứ hai, giả sử nó hoạt động chủ yếu trong môi trường tần số cao. Từ công thức tính điện kháng cảm ZL = 2πfL, ta biết rằng điện kháng cảm nhỏ ở tần số thấp và lớn ở tần số cao. Do đó, trong cách nối dây này, đường nối đất hoạt động như một dây dẫn ở tần số thấp và ở trạng thái hở mạch ở tần số cao. Cách nối dây này có thể tránh được dòng điện vòng lặp đất.
3 — Các cách kết nối các điểm nối đất khác nhau
Nếu bạn không chọn sử dụng toàn bộ mặt phẳng làm mặt phẳng nối đất chung, và một mô-đun có hai mạng nối đất, bạn phải chia tách mặt phẳng nối đất. Điều này thường có tương tác với mặt phẳng cấp nguồn. Các cách kết nối các điểm nối đất là:
- Dòng điện thông thường giữa các cực đất. Điều này mang lại một kết nối có trở kháng thấp và đáng tin cậy cho các tín hiệu tần số trung và thấp.
- Điện trở cao giữa các điểm nối đất. Một điện trở có giá trị lớn sẽ cho phép dòng rò rất nhỏ đi qua nếu có điện áp xuất hiện giữa hai đầu của nó. Điều này sẽ làm hao mòn điện tích từ từ cho đến khi hiệu điện thế về 0. Hãy tận dụng hiện tượng này để nối đất các điểm nối đất nổi một cách nhẹ nhàng.
- Tụ điện nối giữa các điểm nối đất. Tụ điện chặn dòng điện một chiều (DC) nhưng cho dòng điện xoay chiều (AC) đi qua. Hãy sử dụng tụ điện này trong các hệ thống nối đất nổi để cho nhiễu tần số cao đi qua đồng thời chặn dòng điện một chiều.
- Hạt ferit (hạt từ tính) giữa các cực nối đất. Hạt ferit hoạt động giống như một điện trở phụ thuộc tần số. Ở tần số cao, nó có tính chất điện trở. Sử dụng nó cho các mạch nối đất tín hiệu yếu có các đỉnh dòng điện nhỏ và nhanh.
- Cuộn cảm nối giữa các điểm nối đất. Cuộn cảm có khả năng chống lại sự thay đổi đột ngột. Nó có thể làm mịn các đỉnh và lấp đầy các đáy. Hãy sử dụng nó giữa các điểm nối đất có dao động dòng điện lớn.
- Một điện trở nhỏ nối giữa hai điểm nối đất. Một điện trở nhỏ có tác dụng giảm chấn để làm chậm lại những thay đổi nhanh chóng của dòng điện đất. Khi dòng điện thay đổi nhanh chóng, điện trở này làm cho độ dốc của cạnh tăng trở nên ít dốc hơn.
Tất cả các lựa chọn này đều giúp kiểm soát cách thức truyền tải nhiễu giữa các mặt đất.
4 — Mặt đất analog và mặt đất kỹ thuật số
Cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số đều cần có đường trở về đất. Tín hiệu số thay đổi rất nhanh. Chúng tạo ra nhiều nhiễu trên đường đất số. Tín hiệu tương tự cần một điểm tham chiếu đất sạch để hoạt động tốt. Nếu đường đất của tín hiệu tương tự và tín hiệu số bị trộn lẫn, nhiễu từ đường đất số sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu tương tự.
Nói chung, nên tách riêng các mạch đất của mạch tương tự và mạch số. Sau đó, kết nối chúng bằng một đường mạch mỏng hoặc tại một điểm duy nhất. Mục đích chính là ngăn chặn nhiễu từ mạch đất số xâm nhập vào mạch đất tương tự.
5 — Mặt đất hình sao
Nguyên lý cơ bản của hệ thống nối đất hình sao là trong mạch có một điểm đóng vai trò là điểm tham chiếu cho tất cả các điện áp. Đây chính là điểm trung tâm. Bạn có thể hình dung như sau: nhiều dây dẫn chạy ra từ một điểm chung theo mô hình tỏa tròn, giống như các tia sáng của một ngôi sao. Điểm sao có thể không trông giống một ngôi sao trên bảng mạch. Nó có thể là một điểm trên mặt phẳng nối đất. Một đặc điểm quan trọng của hệ thống nối đất hình sao là tất cả các điện áp đều được đo so với cùng một điểm trên mạng nối đất, chứ không phải so với một điểm tham chiếu “đất” không xác định nào đó.
6 — Cách nối đất cho lớp chắn
Lớp chắn của cáp có lớp chắn và dây dẫn thoát nhiễu của cáp phải được nối với điểm nối đất giao diện bo mạch, chứ không phải với điểm nối đất tín hiệu. Điều này là do điểm nối đất tín hiệu thường mang nhiều điện áp nhiễu. Nếu lớp chắn được nối với điểm nối đất tín hiệu có nhiễu, điện áp nhiễu sẽ tạo ra dòng điện chế độ chung trên lớp chắn và gây ra nhiễu từ bên ngoài. Thiết kế cáp kém và việc nối đất lớp chắn không đúng cách thường là nguồn gây nhiễu điện từ (EMI) lớn nhất.
Tóm tắt
Trong thực tế, hãy lựa chọn phương pháp nối đất phù hợp với môi trường hoạt động. Một lựa chọn phù hợp có thể giúp tránh nhiễu và mang lại hiệu suất mạch tối ưu.
- Hãy giữ cho các vòng lặp hồi tiếp có kích thước nhỏ để giảm nhiễu xạ.
- Đặt các đường dẫn tốc độ cao sát cạnh các mặt đất liên tục để đảm bảo trở kháng ổn định.
- Nếu có thể, hãy tránh đi qua các đường phân chia mặt phẳng nguồn.
- Đối với các hệ thống tần số thấp (< 1 MHz), nối đất một điểm thường mang lại hiệu quả.
- Đối với các hệ thống tần số cao (> 10 MHz), hãy sử dụng hệ thống nối đất đa điểm và các đường nối đất ngắn với diện tích phản hồi lớn.
- Đối với các hệ thống hỗn hợp, hãy sử dụng phương pháp kết hợp bao gồm tụ điện, cuộn cảm, điện trở, hạt ferit hoặc các đường mạch nhỏ để kiểm soát hiện tượng ghép nối.
- Tách riêng các đường nối đất của mạch tương tự và mạch số, sau đó nối chúng lại với nhau một cách cẩn thận.
- Nên nối lớp chắn của cáp với cực đất của đầu nối hoặc cực đất của khung máy, chứ không phải với cực đất của tín hiệu có nhiễu.
Các bước này sẽ giúp giảm điện trở đất và giảm nhiễu từ đất, nhờ đó hệ thống sẽ hoạt động ổn định và đáng tin cậy hơn.
