PCB Tecnico - Interferenza a terra e soppressione nella progettazione del layout PCB

1. Definizione di filo di terra

Nella progettazione di layout PCB, che cosa è il filo di terra? La definizione del filo di terra che tutti imparano nei libri di testo è: il filo di terra è un corpo equipotenziale utilizzato come punto di riferimento del potenziale del circuito. Questa definizione non è conforme alla situazione attuale. Il potenziale sul filo di terra reale non è costante. Se si utilizza un metro per misurare il potenziale tra i punti sulla linea di terra, si scopre che le potenzialità dei punti sulla linea di terra possono variare notevolmente. Sono queste potenziali differenze che causano il funzionamento anomalo del circuito. La definizione di un circuito come corpo equipotenziale è solo l'aspettativa delle persone del potenziale terrestre. HENRY ha dato una definizione più realistica del filo di terra. Definiva il filo di terra come un percorso a bassa impedenza per il segnale di tornare alla sorgente. Questa definizione evidenzia il flusso di corrente nel filo di massa. Secondo questa definizione, è facile capire la causa della differenza di potenziale nel filo di terra. Poiché l'impedenza del filo di terra non sarà mai zero, quando una corrente passa attraverso l'impedenza finita, si verificherà una caduta di tensione. Pertanto, dovremmo immaginare il potenziale sul filo di terra come onde nel mare, una dopo l'altra.

2. L'impedenza del filo di terra

Parlando della differenza di potenziale tra i punti del filo di terra causata dall'impedenza del filo di terra, che può causare il malfunzionamento del circuito, molte persone lo trovano incredibile: quando usiamo un ohmmetro per misurare la resistenza del filo di terra, la resistenza del filo di terra è spesso nel livello milliohm. Come può verificarsi una caduta di tensione così grande quando la corrente scorre attraverso una resistenza così piccola, causando un funzionamento anomalo del circuito.

3. Meccanismo di interferenza a terra

3.1 Interferenza di impedenza comune Quando due circuiti condividono una sezione di filo di terra, il potenziale di massa di un circuito sarà modulato dalla corrente di funzionamento dell'altro circuito a causa dell'impedenza del filo di terra. Il segnale in tale circuito sarà accoppiato in un altro circuito, questo accoppiamento è chiamato accoppiamento ad impedenza comune.

Nei circuiti digitali, a causa della frequenza più elevata del segnale, il cavo di massa presenta spesso un'impedenza maggiore. In questo momento, se ci sono diversi circuiti che condividono una sezione di terra, il problema dell'accoppiamento di impedenza comune può verificarsi

4. Contromisure contro le interferenze a terra

4.1 Nel layout di progettazione PCB, contromisure del ciclo di terra Dal meccanismo di interferenza del ciclo di terra, si può sapere che finché la corrente nel ciclo di terra è ridotta, l'interferenza del ciclo di terra può essere ridotta. Se la corrente nel loop di terra può essere completamente eliminata, il problema dell'interferenza del loop di terra può essere completamente risolto. Pertanto, proponiamo le seguenti soluzioni per l'interferenza del circuito di terra.

A. Galleggiare l'attrezzatura ad un'estremità. Se il circuito ad un'estremità è galleggiante, il ciclo di terra sarà tagliato, in modo che la corrente del ciclo di terra possa essere eliminata. Ma ci sono due questioni a cui bisogna prestare attenzione: uno è che, per motivi di sicurezza, i circuiti spesso non sono autorizzati a galleggiare. In questo momento, considerare la messa a terra del dispositivo attraverso un induttore. In questo modo, per le apparecchiature di corrente CA 50Hz, l'impedenza di messa a terra è molto piccola e per i segnali di interferenza di frequenza più elevata, l'impedenza di messa a terra dell'apparecchiatura è più grande, riducendo la corrente del ciclo di terra. Ma così facendo può solo ridurre l'interferenza del loop di terra delle interferenze ad alta frequenza. Un altro problema è che anche se il dispositivo è galleggiante, c'è ancora una capacità parassitaria tra il dispositivo e il terreno. Questa capacità fornirà un'impedenza inferiore alle frequenze più elevate, quindi non può ridurre efficacemente la corrente del ciclo di terra ad alta frequenza.

B. Utilizzare un trasformatore per realizzare la connessione tra i dispositivi. Utilizzare un circuito magnetico per collegare due dispositivi per tagliare la corrente del ciclo di terra. Ma va notato che la capacità parassitaria tra i trasformatori primari e secondari può ancora fornire un percorso per la corrente del ciclo di terra a più alta frequenza, quindi il metodo di isolamento del trasformatore ha un cattivo effetto di soppressione sulla corrente del ciclo di terra ad alta frequenza. Un modo per migliorare l'effetto di isolamento ad alta frequenza del trasformatore è installare uno strato di schermatura tra gli stadi primari e secondari del trasformatore. Ma va notato che l'estremità di messa a terra dello strato di schermatura del trasformatore di isolamento deve essere ad un'estremità del circuito di ricezione. Altrimenti, non solo non può migliorare l'effetto di isolamento ad alta frequenza, ma può anche rendere l'accoppiamento ad alta frequenza più serio. Pertanto, il trasformatore deve essere installato sul lato del dispositivo di ricezione del segnale. Un trasformatore ben schermato può fornire un isolamento efficace a frequenze inferiori a 1MHz.

C. Un altro modo per tagliare il loop di terra utilizzando un isolatore ottico è quello di utilizzare la luce per realizzare la trasmissione del segnale. Questo può essere detto per essere il modo più ideale per risolvere il problema dell'interferenza del circuito di terra. Ci sono due metodi per il collegamento ottico, uno è il dispositivo optocoupler e l'altro è il collegamento con la fibra ottica. La capacità parassitaria dell'optocoppiatore è generalmente 2pf, che può fornire un buon isolamento alle frequenze molto alte. La fibra ottica non ha quasi alcuna capacità parassitaria, ma è inferiore ai dispositivi optocoupler in termini di installazione, manutenzione e costo.

D. Utilizzando i strozzatori di modalità comune sul cavo di collegamento equivale ad aumentare l'impedenza del ciclo di terra, in modo che sotto una certa tensione di terra, il ciclo di terra

La corrente del circuito diminuirà. Ma prestare attenzione a controllare la capacità parassitaria del choke di modalità comune, altrimenti l'effetto di isolamento sulle interferenze ad alta frequenza è molto povero. Più giri della modalità comune soffocano, maggiore è la capacità parassitaria e peggiore è l'effetto dell'isolamento ad alta frequenza.

4.2 Eliminazione dell'accoppiamento di impedenza comune Ci sono due modi per eliminare l'accoppiamento di impedenza comune. Uno è ridurre l'impedenza del cavo di massa comune, in modo che anche la tensione sul cavo di massa comune sia ridotta, controllando così l'accoppiamento di impedenza comune. Un altro metodo è quello di evitare il cavo di terra comune di circuiti che sono facili da interferire tra loro attraverso una corretta messa a terra. Generalmente, evitare il cavo di terra comune dei circuiti di corrente forti e deboli e il cavo di terra comune dei circuiti digitali e dei circuiti analogici. Come accennato in precedenza, il problema principale di ridurre l'impedenza del filo di terra è quello di ridurre l'induttanza del filo di terra. Ciò include l'uso di un conduttore piatto come filo di terra e l'uso di più conduttori paralleli che sono distanti tra loro come filo di terra. Per i circuiti stampati, la posa di una griglia di filo di terra su una scheda a doppio strato può ridurre efficacemente l'impedenza del filo di terra. In una scheda multistrato, uno strato speciale di filo di terra ha una piccola impedenza, ma aumenterà la resistenza del circuito PCB. costo. Il metodo di messa a terra per evitare l'impedenza comune attraverso il metodo di messa a terra appropriato è messa a terra parallela a un punto singolo. Lo svantaggio della messa a terra parallela è che ci sono troppi fili a terra. Pertanto, nella pratica, non è necessario che tutti i circuiti siano collegati in parallelo con la messa a terra a punto singolo. Per i circuiti con meno interferenze reciproche, la messa a terra a punto singolo in serie può essere utilizzata. Ad esempio, i circuiti possono essere classificati in base a segnali forti, segnali deboli, segnali analogici, segnali digitali, ecc., e quindi utilizzare la messa a terra a punto singolo in serie all'interno di circuiti simili e la messa a terra a punto singolo in parallelo per circuiti di diversi tipi.