Blog de PCB - Interferencia y supresión del cable de tierra PCB

En PCB Board Diseño, EspecialMente en circuitos de alta frecuencia, A menudo se encuentran algunas irregularidades y anomalías causadas por la interferencia del cable de tierra. En este trabajo se analizan las causas de la interferencia del cable de tierra, Se introducen en detalle tres tipos de interferencia del cable de tierra, Sobre la base de la experiencia práctica, se proponen soluciones.. Estos métodos anti - interferencia han logrado buenos resultados en la aplicación práctica., Permitir que algunos sistemas funcionen con éxito sobre el terreno. En el sistema de microcomputadoras de un solo chip, Este PCB Board (printed circuit board) is an important component used to support circuit components and provide electrical connections between circuit components and devices. Debe haber cierta impedancia en el proceso de conducción. El componente de Inductancia en el cable afecta la transmisión de la señal de tensión, El componente de resistencia afecta la transmisión de la señal de corriente. La influencia de la Inductancia es especialmente grave en las líneas de alta frecuencia. Debe prestarse atención y eliminarse la influencia de la Impedancia de puesta a tierra.

1. The reason for the interference
Resistance and impedance are two different concepts. La resistencia es la impedancia del conductor a la corriente en el Estado DC, La impedancia es la resistencia del conductor a la corriente en estado AC, Esto se debe principalmente a la Inductancia del cable. Porque el cable de tierra siempre tiene Impedancia, Cuando se utiliza un multímetro para medir el cable de tierra, La resistencia de un cable de tierra suele ser de 1 mm). Toma un cable de 10 cm de largo., Ancho 1.Por ejemplo, el espesor del PCB es de 5 m m y el espesor es de 50 μm., La impedancia se puede calcular. R = 1 L/s(Ω), where L is the length of the wire (m), s is the cross-sectional area of the wire (mm2), 1 es resistividad 1 = 0.02, Así que la resistencia del cable es de aproximadamente 0.026 ©. Cuando un cable está lejos de otros y su longitud es mucho mayor que su anchura, El coeficiente de auto - inducción del conductor es 0.8 horas/m, Entonces la Inductancia de un cable de 10 cm de largo es cero.08 ¼ hora. A continuación, la reactancia inductiva del cable se calcula mediante la siguiente fórmula: XL = 2 1, En la siguiente fórmula, f is the frequency (Hz) of the signal passing through the wire, and L is the self-inductance of the wire per unit length (H). Así que..., En el circuito real, se calcula la reactancia de inducción del conductor a baja y alta frecuencia, respectivamente., La señal que causa interferencia electromagnética es generalmente una señal de pulso, Hay abundantes componentes de alta frecuencia en la señal de pulso, Por lo tanto, hace mucho ruido en el suelo. Tensión. De la fórmula anterior se puede ver que la resistencia del conductor es mayor que la Inductancia del conductor en la transmisión de señales de baja frecuencia.. Para circuitos digitales, La frecuencia de funcionamiento del circuito es muy alta, En la señal de alta frecuencia, la Inductancia del conductor es mucho mayor que la resistencia del conductor.. Así que..., La influencia de la Impedancia de puesta a tierra en el circuito digital es muy grande. Es por eso que una gran caída de tensión ocurre cuando la corriente fluye a través de una pequeña resistencia, Causa un funcionamiento anormal del circuito.

2. Ground wire interference mechanism
2.1 Ground loop interference
Ground loop interference is a relatively common interference phenomenon that often occurs between devices that are connected by long cables and are far apart. La razón principal de la interferencia electromagnética causada por el cable de tierra es la impedancia del cable de tierra.. Cuando la corriente fluye a través del cable de tierra, El voltaje se generará en el cable de tierra, Es ruido de tierra.. Accionado por este voltaje, Producirá una corriente de bucle de tierra, Causar interferencia en el circuito de puesta a tierra. Interferencia del Circuito de puesta a tierra: debido a los diferentes potenciales de puesta a tierra de los dos equipos, Formación de tensión de puesta a tierra. Accionado por este voltaje, La corriente fluye entre los bucles formados por el "dispositivo 1", Cable de interconexión, Equipo 2, "Y el suelo". Debido al desequilibrio del circuito, La corriente en cada cable es diferente, Por lo tanto, se genera tensión de modo diferencial, Esto interfiere con el circuito. Debido a que la interferencia del Circuito de puesta a tierra es causada por la corriente del Circuito de puesta a tierra, A veces se encuentra que cuando el cable de tierra del dispositivo está desconectado, Desaparición del fenómeno de interferencia, Porque el circuito de tierra se corta cuando el cable de tierra está desconectado. Este fenómeno se produce a menudo en situaciones de interferencia de baja frecuencia. Cuando la frecuencia de interferencia es alta, No importa si el cable de tierra está desconectado..
2.2 Common Impedance Interference
In digital circuits, Debido a la alta frecuencia de la señal, Los cables de tierra generalmente muestran una gran Impedancia. En este momento, Cuando varios circuitos comparten una Sección de tierra, Debido a la impedancia del cable de tierra, El potencial de puesta a tierra de un circuito será regulado por la corriente de trabajo de otro, Las señales de tal circuito se acoplarán a otro, Este acoplamiento se llama acoplamiento de impedancia común. El método para resolver el acoplamiento de impedancia común es reducir la impedancia del cable de tierra común, O utilizar un solo punto de puesta a tierra para eliminar completamente la impedancia común, Es un fenómeno de interferencia.. La figura 2 es un circuito simple con cuatro puertas. Supongamos que el nivel de salida de la puerta 1 cambia de alto a bajo, the parasitic capacitance in the circuit (sometimes there is a filter capacitor at the input of gate 2) will discharge to the ground wire through gate 1. Debido a la impedancia del cable de tierra, Cuando el voltaje máximo se genera en el cable de tierra, la corriente de descarga disminuye.. Si la salida de la puerta 3 es baja en este momento, El voltaje máximo se transmitirá a la salida de la puerta 3 y a la entrada de la puerta 4. Si la amplitud de la tensión de pico supera el umbral de ruido de la puerta 4, Esto causará un fallo en la puerta 4.
2.3 Ground loop electromagnetic coupling interference
The "ground loop" will surround a certain area. De acuerdo con la Ley de inducción electromagnética, Si hay un campo magnético variable alrededor de la bobina, Corriente inducida en el bucle, Causar interferencia. La variación del campo magnético espacial está en todas partes, Así que cuanto más grande es el área cerrada, Cuanto más grave es la interferencia.

3. Methods to solve the ground wire interference
3.1 Solve the ground loop interference
There are three basic ideas to solve the ground loop interference: one is to reduce the impedance of the ground wire, Por lo tanto, el voltaje de interferencia se reduce., Sin embargo, esto no tiene ningún efecto en la interferencia del circuito terrestre causada por la segunda causa.. El segundo método es cambiar la estructura de puesta a tierra, Conectar un cable de tierra de un chasis a otro, Puesta a tierra a través de otro chasis, Este es el concepto de puesta a tierra de un solo punto. En tercer lugar, aumentar la impedancia del Circuito de puesta a tierra, Para reducir la corriente del bucle de puesta a tierra. Cuando la impedancia es infinita, El circuito de tierra está prácticamente cortado., O () o, Circuito de puesta a tierra eliminado. Así que..., Para resolver la interferencia del bucle de puesta a tierra, se proponen las siguientes soluciones.
1) Float the device on one side
If one side of the circuit is left floating, Circuito de tierra cortado, Por lo tanto, se elimina la corriente del bucle de puesta a tierra.. Sin embargo, hay dos cuestiones que requieren atención. En primer lugar, por razones de Seguridad, El circuito no permite flotar. En este caso, Considerar la puesta a tierra del dispositivo a través de inductores. Así, La Impedancia de puesta a tierra del equipo de corriente alterna de 50 Hz es muy pequeña, Para señales de interferencia de alta frecuencia, Gran Impedancia de puesta a tierra del equipo, Esto reduce la corriente del bucle de tierra. Sin embargo, esto sólo puede reducir la interferencia del anillo de tierra de la interferencia de alta frecuencia.. Otro problema es que aunque el dispositivo está flotando, Todavía hay Capacitancia parasitaria entre el dispositivo y la tierra. El condensador proporciona baja impedancia a frecuencias más altas, por lo que no puede reducir eficazmente la corriente del Circuito de puesta a tierra de alta frecuencia..
2) Use a transformer
The basic method to solve the ground loop interference is to cut off the ground loop. Transformador de aislamiento para este propósito, La transmisión de la señal entre dos dispositivos se realiza mediante Acoplamiento magnético, Evitar conexiones eléctricas directas. En este momento, El voltaje de interferencia en el cable de tierra aparece entre la primaria y la secundaria del transformador, Entrada fuera del circuito. Un método para mejorar el efecto de aislamiento de alta frecuencia del transformador es establecer una capa de blindaje entre el transformador primario y el transformador secundario.. Sin embargo,, Debe tenerse en cuenta que la terminal de puesta a tierra del escudo del transformador de aislamiento debe estar en la terminal receptora del circuito.. De lo contrario, No sólo no puede mejorar el efecto de aislamiento de alta frecuencia, También hace que el acoplamiento de alta frecuencia sea más grave.. Así que..., Los transformadores se instalarán a un lado del dispositivo receptor de señales. El método de aislamiento del transformador tiene algunas desventajas, No puede transmitir corriente directa., Es muy pesado., Y el costo es alto. Debido a la Capacitancia parasitaria entre el transformador primario y el secundario, El efecto de aislamiento a alta frecuencia no es muy bueno.
3) Use Optical Isolation Elements
Transmitting signals with light is an ideal solution to ground loop problems. Como se muestra en la figura 3, La Capacitancia parasitaria del dispositivo optocoupler es de aproximadamente 2 PF, Así que puede ser aislado a frecuencias muy altas. Si se utiliza fibra óptica, Problemas sin Capacitancia parasitaria, Y puede obtener un aislamiento perfecto. Sin embargo,, El uso de fibra óptica causará otros problemas, Por ejemplo, se necesita más poder, Necesidad de más periféricos, La linealidad y el rango dinámico de la conexión óptica no pueden cumplir los requisitos de la señal analógica, Instalación y mantenimiento de cables de fibra óptica más complejos. Cuando se utiliza, pay attention to the use of optical isolation components
4) Use a common mode choke
The ground wire voltage is actually a common mode voltage, La corriente que fluye en el cable es una corriente de modo común impulsada por este voltaje. El uso de choques de modo común en cables de conexión es equivalente a aumentar la impedancia del Circuito de tierra, Reducir la corriente del Circuito de puesta a tierra bajo tensión de puesta a tierra definida. Sin embargo, se debe prestar atención al control de la Capacitancia parasitaria de los choques de modo común, De lo contrario, el efecto de aislamiento de la interferencia de alta frecuencia es muy pobre.. El número de giros de la bobina de estrangulamiento de modo común es mayor, Cuanto mayor es la Capacitancia parasitaria, peor es el aislamiento de alta frecuencia.
5) Suppression of ground loop interference by balanced circuit
A balanced circuit is defined as two conductors and the circuit they connect to have the same impedance with respect to a ground wire or other reference object. Es difícil equilibrar a alta frecuencia, Hay muchos factores parasitarios en el circuito real., Capacitancia parasitaria, por ejemplo, Inductancia, Etc... Estos parámetros desempeñan un papel más importante en la impedancia del Circuito de mayor frecuencia.. Debido a la incertidumbre de estos parámetros parasitarios, La impedancia del circuito también es incierta, Por lo tanto, es difícil garantizar que las impedancias de los dos conductores sean idénticas.. Así que..., Alta frecuencia, El equilibrio del circuito es generalmente pobre, Esto significa que el circuito de equilibrio tiene un mal efecto de supresión de la interferencia de corriente en el circuito de puesta a tierra de alta frecuencia..

3.2 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. En primer lugar, reducir la impedancia del cable de tierra común, Esto reduce el voltaje en el cable de tierra común, Para controlar el acoplamiento de impedancia común. Otro método es evitar el cable de tierra común de los circuitos que son susceptibles a la interferencia mutua mediante un método adecuado de puesta a tierra.. En general, Debe evitarse que los bucles de corriente fuerte y débil compartan la línea de tierra, Y la línea de tierra común para circuitos digitales y analógicos. La desventaja de la puesta a tierra paralela es que hay demasiados cables de puesta a tierra. Así que..., En realidad, No todos los circuitos deben estar conectados a tierra en paralelo en un solo punto. Para circuitos con poca interferencia mutua, Se puede utilizar un solo punto de puesta a tierra en serie. Por ejemplo:, Los circuitos pueden clasificarse según señales fuertes, Señal débil, Señal analógica, Señal digital, etc., A continuación, en circuitos similares se utiliza una serie de puesta a tierra de un solo punto, Como se muestra en la figura 4, Diferentes tipos de circuitos están conectados a tierra en un solo punto paralelo, Como se muestra en la figura 5. Cuando la frecuencia de la señal es inferior a 1 MHz, Se puede utilizar un método de puesta a tierra de un solo punto para evitar que forme un bucle. Cuando la frecuencia de la señal es superior a 10 MHz, Adoptar la puesta a tierra multipunto para reducir la impedancia del cable de tierra en la medida de lo posible. La línea de alimentación y la línea de tierra deben estar lo más cerca posible de la línea para reducir el área del bucle cerrado., Por lo tanto, se reduce la interferencia del campo eléctrico producido por el campo magnético externo a la circuncisión., Al mismo tiempo, se reduce la radiación electromagnética externa del bucle.. Como se mencionó anteriormente, El problema de reducir la impedancia del cable de tierra es reducir la Inductancia del cable de tierra. Puedes usar cables planos como cables de tierra., O utilizar múltiples conductores paralelos muy separados como cables de tierra. Para PCB Board, La construcción de una red de puesta a tierra en una placa de doble capa puede reducir eficazmente la impedancia del cable de tierra. En multicapa, Una capa Especial se puede utilizar como cable de tierra para reducir la Impedancia.

4. Conclusion
Anti-interference design is an important part of single-chip system design, Su calidad de diseño a menudo determina el éxito o el fracaso de todo el sistema. Sobre la puesta a tierra, Muchas monografías sobre compatibilidad electromagnética se discuten en detalle. Sin embargo,, El modo de puesta a tierra debe seleccionarse mediante experimentos., La interferencia del cable de tierra también debe ser encontrada y eliminada por el experimento.. Este artículo introduce la causa y la solución de la interferencia del cable de tierra, Se exponen los métodos y principios generales del diseño del cable de tierra.. Sólo bajo la Guía de la teoría, Después de una gran cantidad de proceso de prueba y acumulación de experiencia, Si podemos dominar mejor el método de diseño del sistema de puesta a tierra y el método de eliminación de interferencias, Para mejorar la fiabilidad del sistema Placa de circuito impreso Trabajo.