Blog de PCB - Análisis y supresión de la interferencia del cable de tierra en el cableado de PCB

1.. Definition of ground wire
What is a ground wire on PCB Board? La definición de cable de tierra que todos aprenden en los libros de texto es que el cable de tierra es un cuerpo equipotential que se utiliza como punto de referencia para el potencial de un circuito.. Esta definición no se ajusta a la realidad. Potencial inestable en el cable de tierra real. Si se utiliza un instrumento para medir el potencial entre los puntos del cable de tierra, Usted encontrará que el potencial en cada punto del cable de tierra puede variar mucho. Es esta diferencia de potencial la que causa el funcionamiento anormal del circuito. La definición de circuito como equipotential es sólo la expectativa del potencial de la tierra. Henry da una definición más realista del cable de tierra, Define el cable de tierra como la ruta de baja impedancia del flujo de señal de vuelta a la fuente. La corriente en el cable de tierra se resalta en esta definición. Según esta definición, La causa de la diferencia potencial de la línea de tierra es fácil de entender. Porque la impedancia del cable de tierra nunca será cero, Cuando la corriente fluye a través de una impedancia finita, Caída de tensión. Por consiguiente,, Deberíamos imaginar el potencial eléctrico en el cable de tierra como una ola en el mar., Uno tras otro.

2.. The impedance of the ground wire
When it comes to the potential difference between the points on the ground wire caused by the impedance of the ground wire, Mucha gente piensa que esto es increíble: cuando medimos la resistencia del cable de tierra con un ohmmeter, La resistencia de un cable de tierra es generalmente nanoohm, ¿Cómo puede haber una caída de tensión tan grande cuando la corriente fluye a través de una resistencia tan pequeña?, Causa un funcionamiento anormal del circuito. Entender el problema, Primero debemos distinguir dos conceptos diferentes de resistencia e Impedancia de alambre. La resistencia es la resistencia 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. Cualquier cable tiene Inductancia, Y cuando la frecuencia es alta, La impedancia del conductor es mucho mayor que la resistencia DC. En el circuito real, La señal que causa interferencia electromagnética es generalmente una señal de pulso, La señal de pulso contiene abundantes componentes de alta frecuencia, Por lo tanto, se producirá un mayor voltaje en el cable de tierra.. Para circuitos digitales, La frecuencia de funcionamiento del circuito es muy alta, Por lo tanto, la influencia de la Impedancia de tierra en el circuito digital es muy grande.. Si la Impedancia de 10 Hz se considera aproximadamente resistencia DC, Se puede ver que cuando la frecuencia alcanza los 10 MHz, Para cables de 1 metro de largo, Su impedancia es de 1000 a 100,1000 veces la resistencia DC. Lo mismo ocurre con las corrientes de radiofrecuencia, Cuando la corriente fluye a través del cable de tierra, Gran caída de tensión. También se puede ver en la tabla que el aumento del diámetro del alambre es muy eficaz para reducir la resistencia DC., Sin embargo, el efecto sobre la reducción de la impedancia AC es limitado.. Pero en términos de compatibilidad electromagnética, La gente se preocupa por la impedancia AC. Para reducir la impedancia AC, Un método eficaz es conectar varios cables en paralelo. Cuando dos cables están conectados en paralelo, the total inductance L is: L = ( L1 + M ) / 2. Donde L1 es una Inductancia de un solo cable, M es la Inductancia mutua entre dos cables. Como se puede ver en la fórmula, cuando dos cables están muy separados, La Inductancia mutua entre ellos es muy pequeña, Inductancia total equivalente a la mitad de la Inductancia de una sola línea. Por consiguiente,, Podemos reducir la Impedancia de tierra a través de múltiples cables de tierra. Tenga en cuenta, sin embargo, que la distancia entre múltiples conductores no debe ser demasiado corta.

3... Ground wire interference mechanism
3.1 Ground loop interference
Because of the ground wire impedance, Cuando la corriente fluye a través del cable de tierra, Tensión generada en el cable de tierra. Cuando la corriente es mayor, el voltaje puede ser mayor.. Por ejemplo:, Cuando los aparatos eléctricos de alta potencia se encienden cerca, Una fuerte corriente fluirá a través del cable de tierra. Esta corriente genera corriente en un cable de conexión entre dos dispositivos. Debido al desequilibrio del circuito, La corriente en cada cable es diferente, Por lo tanto, se producirá un voltaje de modo diferencial, Esto afectará al circuito. Debido a que esta interferencia es causada por la corriente de bucle formada por cables y cables de tierra, Se convierte en una interferencia del bucle de puesta a tierra. La corriente en el circuito de puesta a tierra también puede ser inducida por campos electromagnéticos externos.

3.2 Common Impedance Interference
When two circuits share a ground wire, Debido a la impedancia del cable de tierra, el potencial de puesta a tierra de un circuito será modulado por la corriente de trabajo de otro circuito. Una señal de tal Circuito está acoplada a otro circuito, Este acoplamiento se llama acoplamiento de impedancia común. En circuitos digitales, Debido a la alta frecuencia de la señal, Los cables de tierra suelen tener una gran Impedancia. En este momento, Si hay diferentes circuitos que comparten una Sección de tierra, Posible problema de acoplamiento de impedancia común. 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, La corriente de descarga será el voltaje máximo generado en el cable de tierra. Si la salida de la puerta 3 es baja, 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.

4. Ground wire interference countermeasures
4.1. Contramedidas del bucle de puesta a tierra: de acuerdo con el mecanismo de interferencia del bucle de puesta a tierra, la interferencia del bucle de puesta a tierra se puede reducir si la corriente en el bucle de puesta a tierra se reduce.. Si la corriente en el circuito de tierra se puede eliminar completamente, Puede resolver completamente el problema de interferencia del bucle de puesta a tierra. Por consiguiente,, Proponemos las siguientes soluciones para resolver la interferencia del bucle de tierra:.
1) Floating the equipment at one end If the circuit at one end is floated, Circuito de tierra cortado, Por lo tanto, la corriente del bucle de puesta a tierra puede ser eliminada. Sin embargo, hay dos cuestiones que requieren atención. En primer lugar, por razones de Seguridad, El circuito normalmente 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 5.0 Hz es muy pequeña, Y para la señal de interferencia con mayor frecuencia, La Impedancia de puesta a tierra del equipo es relativamente grande, Esto reduce la corriente del bucle de tierra. Sin embargo, esto sólo puede reducir la interferencia del bucle de puesta a 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 bucle de puesta a tierra de alta frecuencia..
2) Use the transformer to realize the connection between the devices. Conectar dos dispositivos usando circuitos magnéticos, Esto puede cortar la corriente del Circuito de tierra. Sin embargo,, Cabe señalar que la Capacitancia parasitaria entre la primaria y la secundaria del transformador todavía puede proporcionar una ruta para la corriente del Circuito de puesta a tierra de alta frecuencia., Por lo tanto, el método de aislamiento del transformador tiene un efecto negativo en la supresión de la corriente del bucle de puesta a tierra de alta frecuencia.. 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 de la capa de blindaje 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, Pero también hace que el acoplamiento de alta frecuencia sea más grave. Por consiguiente,, El transformador se instalará en el lado del receptor de señales. Los transformadores bien protegidos pueden proporcionar un aislamiento eficaz a frecuencias inferiores a 1 MHz.
3) Using an optical isolator Another way to cut off the ground loop is to use light to transmit signals. Este es el esquema ideal para resolver el problema de interferencia del bucle de puesta a tierra.. Hay dos maneras de conectar la luz:, Uno es un dispositivo optocoupler, Otra es la conexión de fibra óptica. La Capacitancia parasitaria del acoplador óptico es generalmente 2pf, Esto proporciona un buen aislamiento a frecuencias muy altas. La fibra tiene poca Capacitancia parasitaria, Pero no están tan bien instalados como los acopladores ópticos, Mantenimiento, Costo.
4) Using a common mode choke coil The use of a common mode choke coil on the connecting cable is equivalent to increasing the impedance of the ground loop, Hace que la corriente del Circuito de puesta a tierra disminuya bajo la acción de una cierta tensión de puesta a tierra. 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.. Más choques de modo común, Cuanto mayor es la Capacitancia parasitaria, peor es el aislamiento de alta frecuencia.
4.2 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. Una es reducir la impedancia del cable de tierra común, Por lo tanto, el voltaje en el cable de tierra común también se reduce, 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.. Normalmente, Debe evitarse que los circuitos eléctricos fuertes y débiles compartan la tierra, El circuito digital y el circuito analógico comparten la línea de tierra. Como se mencionó anteriormente, El problema de reducir la impedancia del cable de tierra es reducir la Inductancia del cable de tierra.. Esto incluye la puesta a tierra de un conductor plano y la puesta a tierra de una pluralidad de conductores paralelos espaciados. Para placas de circuitos impresos, La impedancia del cable de tierra se puede reducir eficazmente mediante la colocación de la rejilla del cable de tierra en la placa de doble capa.. Aunque una capa se utiliza como cable de tierra en una placa multicapa, Tiene poca impedancia., Pero esto aumentará el costo de la placa de circuito. . El método de puesta a tierra para evitar la impedancia común mediante una puesta a tierra adecuada es la puesta a tierra paralela de un solo punto.. La desventaja de la puesta a tierra paralela es que hay demasiados cables de puesta a tierra. Por consiguiente,, En realidad, No todos los circuitos deben estar conectados a tierra en un punto paralelo. Para circuitos con menos interferencia, 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, La puesta a tierra de un solo punto paralela se utiliza para diferentes tipos de circuitos..
5. Summary
The main reason for the electromagnetic interference caused by the ground wire is the impedance of the ground wire. Cuando la corriente fluye a través del cable de tierra, El voltaje se generará en el cable de tierra, Qué es el ruido del cable de tierra. Accionado por esta tensión, Producirá una corriente de bucle de tierra, Causar interferencia en el circuito de puesta a tierra. Cuando dos circuitos comparten una Sección de tierra, se produce un acoplamiento de impedancia común. El método para resolver la interferencia del Circuito de puesta a tierra es cortar el circuito de puesta a tierra., Aumento de la impedancia del Circuito de puesta a tierra, Y utiliza el circuito de equilibrio. La solución de acoplamiento de impedancia común es reducir la impedancia del cable de tierra común, O un solo punto conectado a tierra en paralelo para eliminar completamente la impedancia común PCB Board.