Blogue PCB - Interférence et suppression des fils au sol PCB

Dans la conception de la carte PCB, en particulier dans les circuits haute fréquence, Il y a souvent des irrégularités et des anoMalies causées par l'interférence du fil de terre. Cet article analyse les causes de l'interférence du fil de terre, détails trois types d'interférences de ligne de terre, Et proposer des solutions basées sur l'expérience pratique. Ces méthodes anti - interférence donnent de bons résultats dans des applications pratiques, permettre à certains systèmes de fonctionner avec succès sur le terrain. Dans un système à puce unique, la carte PCB (carte de circuit imprimé) est un composant important utilisé pour soutenir les composants du circuit et fournir une connexion électrique entre les composants du circuit et l'équipement. Il doit y avoir une certaine impédance dans le processus de conduction. La composante inductive dans le fil affecte la transmission du signal de tension, La composante de résistance affecte la transmission du signal de courant. Les effets de l'inductance sont particulièrement graves dans les lignes à haute fréquence. L'influence de l'impédance de mise à la terre doit être notée et éliminée.

1. Les causes de la perturbation
Résistance et impédance sont deux concepts différents. L'état DC se réfère à l'impédance du conducteur, L'impédance est la résistance du conducteur au courant en courant alternatif, Ceci est principalement causé par l'inductance du fil. Parce que le fil de terre a toujours une impédance, lorsque vous mesurez le fil de terre avec un multimètre, la résistance des fils de mise à la terre est généralement de MM ). Prends un fil de 10 cm de long, largeur 1.  Par exemple, une épaisseur de 5 mm et une épaisseur de 50 ¼ m sur un PCB, L'impédance peut être calculée. R=ρL/s(Ω), où l est la longueur du fil (m) et s la surface de la Section du fil (mm2), and ρ is the resistivity ρ=0.02, la valeur de résistance du fil est donc d'environ 0026 angström. Lorsqu'un fil est éloigné des autres et que sa longueur est bien supérieure à sa largeur, Le facteur d'auto - inductance du conducteur est 0.8 μH/m, Ensuite, un fil de 10 cm de long a une inductance de 0,08 ¼ Hz. La réactance du fil est alors calculée par la formule suivante: XL=2πfL, Dans la formule suivante: F est la fréquence (Hz) du signal traversant le fil et l est la Self - inductance par unité de longueur du fil(H). Alors, Les valeurs de réactance du fil à basse et haute fréquence sont calculées séparément: Dans le circuit réel, le signal qui provoque une interférence électromagnétique est généralement un signal d'impulsion, et le signal impulsionnel contient une riche composante haute fréquence, Par conséquent, il génère beaucoup de bruit sur le fil de terre, voltage. Comme le montre la formule ci - dessus, la résistance du conducteur est supérieure à l'inductance du conducteur dans la transmission du signal à basse fréquence pour circuits numériques, la fréquence de fonctionnement du circuit est très élevée, dans les signaux à haute fréquence, l'inductance du fil est beaucoup plus grande que la résistance du fil. Alors, l'impédance au sol a un grand effet sur le circuit numérique. C'est pourquoi une grande chute de tension se produit lorsque le courant circule à travers une petite résistance, cause un mauvais fonctionnement du circuit.

2. Mécanisme d'interférence de ligne de terre

2.1 Interférence de boucle de terre

L'interférence de la boucle de terre est un phénomène d'interférence relativement commun qui se produit souvent entre des appareils connectés par de longs câbles et éloignés les uns des autres. La principale raison de l'interférence électromagnétique du fil de terre est l'impédance du fil de terre. Lorsque le courant circule à travers la ligne de terre, la tension sera générée sur le fil de terre, C'est le bruit du fil de terre. Conduite par cette tension, Le courant de retour au sol sera généré, provoque une perturbation de la boucle de terre. Interférence du circuit de mise à la terre: en raison du potentiel de mise à la terre différent des deux équipements, a ground voltage is formed. Driven by this voltage, current flows between the loop formed by "device 1, Câble d'interconnexion, device 2, "Et le sol".  En raison du déséquilibre du circuit, Le courant sur chaque fil est différent, Il en résulte une tension en mode différentiel, Ça interfère avec le circuit. Parce que la perturbation de la boucle de terre est causée par le courant de la boucle de terre, Il se trouve parfois que lorsque le fil de terre de l'équipement est déconnecté, les perturbations disparaissent,Parce que la boucle de mise à la terre est coupée lorsque la ligne locale est déconnectée. Ce phénomène se produit souvent dans les situations d'interférence à basse fréquence. Lorsque la fréquence d'interférence est élevée, peu importe si le fil de terre est déconnecté.

2.2 Interférence co - impédance

Dans les circuits numériques, parce que la fréquence du signal est très élevée, the ground wire often presents a large impedance. En ce moment, lorsque plusieurs circuits partagent un tronçon de ligne de terre, En raison de l'impédance du fil de terre, le potentiel de masse d'un circuit sera modulé par le courant de fonctionnement de l'autre circuit, Les signaux d'un tel circuit seront couplés à un autre circuit, this coupling It is called common impedance coupling. La façon de résoudre le couplage d'impédance commune est de réduire l'impédance du fil de terre commun, ou utilisez un point de masse unique pour éliminer complètement l'impédance commune, C'est un phénomène perturbateur.. Figure 2 is a simple circuit with four gates. Supposons que le niveau de sortie de la porte 1 passe de haut en bas, Une capacité parasite dans le circuit (il y a parfois une capacité de filtrage à l'entrée de la grille 2) sera déchargée sur la ligne de masse par la grille 1. En raison de l'impédance du fil de terre, Le courant de décharge produira une tension de crête sur la ligne de terre. Si la sortie de la porte 3 est faible à ce stade, La tension crête sera transmise à la sortie de la grille 3 et à l'entrée de la grille 4. Si l'amplitude de cette tension de crête dépasse le seuil de bruit de la porte 4, Cela causera une défaillance de la porte 4.

2.3 Interférence de couplage électromagnétique de la boucle de terre

La " boucle de mise à la terre " entourera une certaine zone. Selon la loi de l'induction électromagnétique, s'il y a un champ magnétique changeant dans la zone autour de l'anneau, le courant induit sera généré dans le circuit, causing interference. Le champ magnétique Spatial Change partout, donc, plus la zone fermée est grande, plus l'interférence est grave.


3. Méthodes pour résoudre les interférences de ligne de terre

3.1 Résoudre les interférences de boucle de terre
Il y a trois idées de base pour résoudre les interférences de boucle de terre: l'une est de réduire l'impédance de la ligne de terre, cela réduit la tension d'interférence, Mais cela n'affecte pas l'interférence de la boucle au sol causée par la deuxième cause. La deuxième méthode consiste à modifier la structure de mise à la terre, connectez un châssis au sol à un autre châssis, et mise à la terre via un autre châssis, c'est le concept de mise à la terre en un seul point. Le troisième est d'augmenter l'impédance de la boucle de terre, cela réduit le courant de retour au sol. Lorsque l'impédance est infinie, le circuit au sol est en fait coupé, c'est ça, le circuit au sol est éliminé. Ainsi, les solutions suivantes sont proposées pour résoudre les interférences de la boucle de terre.

1) Flotter l'appareil d'un côté
Si un côté du circuit reste flottant, la boucle de terre est coupée, cela élimine le courant de retour au sol. Mais il y a deux questions à noter. Premièrement, pour des raisons de sécurité, le circuit ne permet pas de flotter. Dans ce cas, Pensez à mettre l'appareil à la terre via un inducteur. Voilà, L'impédance de terre de l'équipement de courant alternatif de 50hz est petite, pour les signaux d'interférence à haute fréquence, grande impédance au sol de l'appareil, Cela réduit le courant de retour au sol. Mais cela ne peut que réduire l'interférence de l'anneau au sol de l'interférence à haute fréquence. Un autre problème est que, bien que l'appareil soit flottant, La capacité parasitaire est toujours présente entre l'équipement et la mise à la terre. Cette capacité fournit une impédance plus faible à des fréquences plus élevées et ne permet donc pas de réduire efficacement le courant de boucle de masse haute fréquence.

2) Utiliser un transformateur
La méthode de base pour résoudre les interférences de la boucle de terre est de couper la boucle de terre. Les transformateurs d'isolement sont utilisés à cette fin, et la transmission du signal entre les deux dispositifs est réalisée par couplage de champ magnétique, Évitez les connexions électriques directes. À ce moment - là, la tension d'interférence sur le fil de terre se produit entre le primaire et le secondaire du transformateur, pas à l'entrée du circuit. Une façon d'améliorer l'effet d'isolement à haute fréquence du transformateur est de placer un bouclier entre le primaire et le secondaire du transformateur. Par ailleurs, il est à noter que l'extrémité de masse du blindage isolant du transformateur doit être à l'extrémité de réception du circuit. Sinon, non seulement il ne peut pas améliorer l'effet d'isolation haute fréquence, le couplage à haute fréquence est également aggravé. Par conséquent, le transformateur doit être monté sur le côté du récepteur de signal. La méthode d'isolement du transformateur présente certains inconvénients, il ne peut pas transmettre le courant continu, c'est lourd, et le coût est élevé. En raison de la capacité parasitaire entre primaire et secondaire du transformateur, L'isolement à haute fréquence n'est pas très bon.

3) Utilisation d'éléments d'isolation optique
La transmission de signaux par la lumière est la solution idéale au problème de la boucle de terre. Comme le montre la figure 3, la capacité parasite du dispositif de photocouplage est de l'ordre de 2pf, Donc il peut être isolé à très haute fréquence. Si la fibre optique est utilisée, Aucun problème de capacité parasitaire, et un effet d'isolation très parfait peut être obtenu. L'utilisation de la fibre optique pose d'autres problèmes, par exemple: besoin de plus de pouvoir, the need for more peripheral devices, La linéarité et la plage dynamique de la connexion optique ne peuvent pas satisfaire aux exigences du signal analogique, et l'installation et la maintenance des câbles optiques sont plus complexes. Lors de l'utilisation, attention à l'utilisation de composants optiquement isolés.

4) Utilisation d'une Self de mode commun
La tension de ligne de terre est en fait une tension de mode commun, le courant circulant dans le câble est un courant en mode commun alimenté par cette tension. L'utilisation d'un étranglement en mode commun sur le câble de connexion équivaut à une augmentation de l'impédance du circuit au sol., Réduire le courant du circuit de mise à la terre sous une certaine tension de mise à la terre. Mais attention au contrôle de la capacité parasitaire de l'étranglement en mode commun, sinon, très mauvais effet d'isolation contre les interférences à haute fréquence. Plus le nombre de tours de l'étranglement en mode commun est élevé, Plus la capacité parasitaire est grande, plus l'isolement à haute fréquence est faible.

5) Suppression des interférences de la boucle de terre avec un circuit équilibré
Un circuit d'équilibrage est défini comme étant deux conducteurs, le circuit auquel ils sont connectés ayant la même impédance par rapport à la ligne de masse ou à un autre objet de référence. Difficile à équilibrer à haute fréquence, Et le circuit réel aura de nombreux facteurs parasites, comme la capacité parasitaire, inductance et ainsi de suite. Ces paramètres jouent un rôle plus important dans l'impédance du circuit à des fréquences plus élevées. Due to the uncertainty of these parasitic parameters, L'impédance du circuit est également incertaine, Il est donc difficile de s'assurer que les impédances des deux conducteurs sont identiques. Par conséquent, Haute fréquence, l'équilibre du circuit est souvent mauvais, cela signifie que le circuit d'équilibrage n'est pas très efficace pour supprimer l'interférence du courant de la boucle de mise à la terre à haute fréquence.

3.2 Suppression du couplage co - impédance
Il existe deux façons d'éliminer le couplage co - impédance. Premièrement, réduire l'impédance du fil de terre commun, la tension sur les lignes de mise à la terre communes est également réduite, pour contrôler le couplage de co - impédance. Une autre méthode consiste à éviter, par une méthode de mise à la terre appropriée, les lignes de masse communes des circuits susceptibles d'interférer entre eux. En gros, Le fil de mise à la terre partagé par les circuits à courant fort et à courant faible doit être évité,  Et ligne de masse commune pour circuits numériques et analogiques. L'inconvénient de la mise à la terre parallèle est qu'il y a trop de conducteurs de mise à la terre. Therefore, En fait,, it is not necessary for all circuits to be grounded at a single point in parallel. Pour les circuits avec moins d'interférence mutuelle, single-point grounding in series can be used. Par exemple: les circuits peuvent être classés selon signal fort, signal fidelity, signal analogique, signal numérique, attendez, puis utiliser un point de masse unique en série dans un circuit similaire, comme le montre la figure 4, différents types de circuits utilisent la mise à la terre à point unique parallèle, comme le montre la figure 5. Lorsque la fréquence du signal est inférieure à 1 MHz, La méthode de mise à la terre en un seul point peut être utilisée pour l'empêcher de former une boucle. Lorsque la fréquence du signal est supérieure à 10 MHz, Utiliser la mise à la terre multipoint pour réduire au minimum l'impédance du fil de terre. The power line and the ground line should be as close as possible to the traces to reduce the enclosed loop area, Ainsi, l'interférence du champ magnétique externe sur la coupe de la boucle est réduite, et réduit également le rayonnement électromagnétique externe de la boucle. Comme indiqué précédemment, le problème de la réduction de l'impédance de la ligne de terre est de réduire l'inductance de la ligne de terre. Vous pouvez utiliser un fil plat comme fil de terre, ou utiliser plusieurs conducteurs parallèles plus éloignés comme lignes de masse. Pour PCB board, La mise en place d'un réseau de mise à la terre sur une double dalle peut efficacement réduire l'impédance du fil de terre. Dans un multicouche, Une couche spéciale peut être utilisée comme ligne de masse pour réduire l'impédance.

4. Conclusion
La conception anti - interférence est une partie importante de la conception des systèmes monopuce, la qualité de sa conception détermine souvent le succès ou l'échec de l'ensemble du système. À propos de Ground, de nombreuses monographies sur la compatibilité électromagnétique sont examinées en détail. Cependant, Le mode de mise à la terre doit être choisi par essai, and the ground wire interference should also be found and eliminated through experiments. Cet article présente les causes et les solutions de l'interférence du fil de terre, et illustre les méthodes générales et les principes de la conception des lignes de sol. Seulement sous la direction de la théorie, after a lot of test process and experience accumulation, Peut - on mieux comprendre la méthode de conception du système de mise à la terre et la méthode d'élimination des interférences?,Améliorant ainsi la fiabilité du fonctionnement de la carte PCB de circuit imprimé.