Thiết kế điện tử - Phương pháp điều khiển nhiễu dây đất trong quá trình thiết kế bảng mạch

Phương pháp điều khiển nhiễu dây đất trong quá trình thiết kế bảng mạch

1 Định nghĩa của Ground Line

Nhà máy PCB: Dây nối đất là gì? Định nghĩa của dây mặt đất mà mọi người học trong sách giáo khoa là: dây mặt đất là đẳng thế được sử dụng làm điểm tham chiếu tiềm năng của mạch. Định nghĩa này không phù hợp với thực tế. Điện thế trên đường nối đất thực tế không phải là hằng số. Nếu bạn đo điện thế giữa các điểm trên dây nối đất bằng đồng hồ, bạn sẽ thấy rằng điện thế có thể thay đổi đáng kể tại các điểm khác nhau trên dây nối đất. Đó là những khác biệt tiềm năng gây ra hoạt động bất thường của mạch. Định nghĩa của một mạch như một đẳng thế chỉ đơn giản là những gì mọi người mong đợi từ một điện thế địa. Henry đưa ra một định nghĩa thực tế hơn về đường mặt đất. Ông định nghĩa đường mặt đất là đường trở kháng thấp mà tín hiệu chảy trở lại nguồn. Định nghĩa này làm nổi bật dòng điện trong đường nối đất. Theo định nghĩa này, thật dễ dàng để hiểu nguyên nhân của sự chênh lệch điện thế trong đường mặt đất. Bởi vì trở kháng của dây mặt đất không bao giờ bằng 0, giảm điện áp xảy ra khi dòng điện đi qua trở kháng hữu hạn. Vì vậy, chúng ta nên nghĩ về tiềm năng trên đường mặt đất như những con sóng trên biển, từng cái một. (Thiết kế PCB)

2. Trở kháng mặt đất

Khi nói đến sự khác biệt về điện thế giữa các điểm trên đường đất gây ra bởi trở kháng dây đất có thể gây ra sự cố mạch, nhiều người thấy không thể tưởng tượng được: khi chúng ta đo điện trở của đường đất bằng đồng hồ ohm, điện trở của đường đất có xu hướng ở mức miliohm. Làm thế nào một sự sụt giảm điện áp lớn như vậy có thể xảy ra khi một dòng điện chạy qua một điện trở nhỏ như vậy, khiến mạch hoạt động bất thường.

3. Cơ chế gây nhiễu mặt đất

3.1 Giao thoa đồng trở kháng Khi hai mạch chia sẻ một đoạn dây nối đất, do trở kháng của dây nối đất, điện thế nối đất của một mạch được điều chế bởi dòng điện làm việc của mạch khác. Các tín hiệu trong mạch này được ghép vào mạch khác, được gọi là ghép đồng trở kháng.

Trong các mạch kỹ thuật số, các đường đất thường có trở kháng lớn do tần số cao của tín hiệu. Tại thời điểm này, nếu có các mạch khác nhau chia sẻ một phần, có thể có vấn đề với khớp nối đồng trở kháng.

4. Các biện pháp đối phó nhiễu đất 4.1 Các biện pháp đối phó vòng lặp đất có thể được nhìn thấy từ cơ chế gây nhiễu vòng lặp đất, miễn là giảm dòng điện trong vòng lặp đất, bạn có thể giảm nhiễu vòng lặp đất. Nếu dòng điện trong mạch nối đất có thể được loại bỏ hoàn toàn, vấn đề nhiễu mạch nối đất có thể được giải quyết hoàn toàn. Vì vậy, chúng tôi đề xuất các giải pháp sau đây cho nhiễu mạch mặt đất.

A. Thiết bị nổi ở một đầu Nếu mạch ở một đầu nổi, mạch nối đất sẽ bị cắt, do đó dòng mạch nối đất có thể được loại bỏ. Nhưng có hai vấn đề cần lưu ý. Một là vì lý do an toàn, mạch thường không cho phép nổi. Tại thời điểm này, hãy xem xét nối đất thiết bị của bạn thông qua cuộn cảm. Bằng cách này, đối với thiết bị AC 50Hz, trở kháng mặt đất là nhỏ, trong khi đối với tín hiệu nhiễu tần số cao hơn, trở kháng mặt đất của thiết bị là lớn hơn, do đó làm giảm dòng mạch mặt đất. Nhưng làm như vậy chỉ có thể làm giảm sự can thiệp của nhiễu tần số cao vào mạch mặt đất. Một vấn đề khác là mặc dù thiết bị nổi, điện dung ký sinh vẫn tồn tại giữa thiết bị và mặt đất. Điện dung này sẽ cung cấp trở kháng thấp hơn ở tần số cao hơn, vì vậy nó không thể làm giảm hiệu quả dòng điện vòng lặp tần số cao.

B. Sử dụng máy biến áp để đạt được kết nối giữa các thiết bị. Sử dụng mạch từ để kết nối hai thiết bị để cắt dòng điện vòng nối đất. Nhưng điều quan trọng cần lưu ý là tụ điện ký sinh giữa máy biến áp sơ cấp và thứ cấp vẫn có thể cung cấp đường dẫn cho dòng mạch nối đất tần số cao, vì vậy phương pháp cách ly máy biến áp ít ức chế dòng điện nối đất tần số cao hơn. Một cách để cải thiện hiệu quả cách ly tần số cao của máy biến áp là lắp đặt một lớp che chắn giữa chính và phụ của máy biến áp. Nhưng cần lưu ý rằng đầu nối đất của lớp che chắn máy biến áp cách ly phải ở một đầu của mạch thu. Nếu không, không chỉ không thể cải thiện hiệu quả cách ly tần số cao, mà còn có thể làm cho khớp nối tần số cao nghiêm trọng hơn. Do đó, máy biến áp nên được lắp đặt ở phía bên của thiết bị nhận tín hiệu. Một máy biến áp được che chắn tốt có thể cung cấp cách ly hiệu quả ở tần số dưới 1 MHz.

C. Một cách khác để cắt các vòng nối đất bằng cách sử dụng bộ cách ly ánh sáng là sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu. Đây có thể nói là phương pháp lý tưởng nhất để giải quyết vấn đề nhiễu mạch mặt đất. Có hai cách để kết nối quang học, một là thiết bị kết nối quang học và một là kết nối với sợi quang. Điện dung ký sinh của cặp quang thường là 2pf và có thể cung cấp sự cô lập tốt ở tần số rất cao. Sợi quang hầu như không có điện dung ký sinh, nhưng kém hơn so với các thiết bị kết nối quang học về lắp đặt, bảo trì và chi phí.

D. Sử dụng choke chế độ chung. Sử dụng choke chế độ chung trên cáp kết nối tương đương với việc tăng trở kháng của vòng nối đất, do đó, dưới một điện áp mặt đất nhất định, dòng điện vòng nối đất sẽ giảm. Nhưng hãy chú ý đến điện dung ký sinh để kiểm soát tắc nghẽn chế độ chung, nếu không hiệu quả cách ly đối với nhiễu tần số cao là rất kém. Số lượng choke chế độ chung càng nhiều, điện dung ký sinh càng lớn, hiệu quả cách ly tần số cao càng kém.

4.2 Có hai cách để loại bỏ các khớp nối co-trở kháng. Một là giảm trở kháng của các đường nối đất chung để điện áp trên các đường nối đất chung cũng giảm, do đó kiểm soát các khớp nối trở kháng chung. Một cách khác là tránh các đường nối đất chung của các mạch có thể dễ dàng can thiệp lẫn nhau bằng cách nối đất thích hợp. Nói chung, nên tránh các đường nối đất chung của mạch điện mạnh và yếu, cũng như các đường nối đất chung của mạch kỹ thuật số và mạch analog. Như đã đề cập trước đó, vấn đề cốt lõi trong việc giảm trở kháng dây mặt đất là giảm điện cảm của dây mặt đất. Điều này bao gồm việc sử dụng dây dẫn phẳng làm dây mặt đất và sử dụng nhiều dây dẫn song song cách xa nhau làm dây mặt đất. Đối với bảng mạch in, việc đặt lưới nối đất trên bảng hai lớp có thể làm giảm hiệu quả trở kháng nối đất. Trong bảng nhiều lớp, một lớp trở kháng dây mặt đất đặc biệt là nhỏ, nhưng làm tăng chi phí của bảng. Phương pháp nối đất để tránh đồng trở kháng bằng cách nối đất thích hợp là nối đất song song một điểm. Nhược điểm của việc nối đất song song là có quá nhiều dây nối đất. Do đó, trong thực tế, không phải tất cả các mạch phải được kết nối song song với một điểm nối đất duy nhất. Đối với các mạch ít gây nhiễu lẫn nhau, nối đất một điểm nối tiếp có thể được sử dụng. Ví dụ, mạch có thể được phân loại theo tín hiệu mạnh, yếu, tương tự, tín hiệu kỹ thuật số, v.v., sau đó sử dụng nối tiếp một điểm trong chuỗi trong các mạch tương tự và các loại mạch khác nhau sử dụng một điểm song song.

5, lý do chính cho dây nối đất trong PCB nhỏ gây nhiễu điện từ là trở kháng của dây nối đất. Khi dòng điện chạy qua dây nối đất, điện áp sẽ được tạo ra trên dây nối đất, đó là tiếng ồn mặt đất. Được điều khiển bởi điện áp này, một dòng điện vòng nối đất được tạo ra, tạo ra nhiễu vòng nối đất. Một khớp nối trở kháng chung được hình thành khi hai mạch chia sẻ một phần đất. Các giải pháp cho nhiễu mạch mặt đất bao gồm cắt mạch mặt đất, tăng trở kháng của mạch mặt đất và sử dụng mạch cân bằng. Giải pháp cho các khớp nối trở kháng chung là giảm trở kháng trong phần nối đất chung hoặc sử dụng các khớp nối đơn song song để loại bỏ hoàn toàn trở kháng chung.