Общий провод и заземление в схемах
Прежде, чем разбираться с тем, где и как изображаются точки заземления и общий провод, надо разобраться с тем, что же это такое.
Согласно определению, общим проводом (землей, корпусом) обозначается такая точка, в которой электрический потенциал принимают за ноль. Согласно этого, все другие значения в схеме замеряют относительно к этой точке, именуемой общим проводом.
Как правило, общий провод на схемах – это тот, относительно которого производят замеры всех напряжений схемы. В электронных схемах эту функцию далеко не всегда несет отрицательный полюс. Существует немало схем, в которых эта функция возложена на положительный провод, тогда, как для схем, имеющих питание двухполярного типа (то есть питание по системе +-Uпит) общим проводом является общая точка источников питания.
Иными словами, общим проводом схемы можно именовать тот проводник, на который сходится самое большое число выводов всей схемы. Сие понятие, как раз, и введено было с целью упрощения процесса начертания и чтения схем (ведь вместо прокладки проводников к нему, зачастую, просто вычерчивается знак, состоящий из вертикальной черты, идущей в середину горизонтальной) одновременно это позволяет экономить пространство на чертеже схемы.
Применительно к электронным схемам небольших размеров, которые выполняются на платах с помощью печатного монтажа, общий провод (он же заземление) выполняется в виде подложки из меди. Кроме того, проводники этого назначения на печатных платах, как правило, имеют достаточно большую площадь (на много большую, чем у других проводников). Применительно к любой электрической (либо электронной) схеме, общий провод (он же масса) настолько удобная штука, что чтение любых схем, если в них нет этого элемента, значительно затруднено и неудобно.
Для схем, предназначенных для работы на высоких скоростях, уже давно стало аксиомой то, что каждый квадратный миллиметр платы, не имеющий радиоэлектронных компонентов, или проводников следует заливать полигоном, предназначенным для земляного провода. Если этого не сделать, то результат может быть весьма плачевным. Однако, бывают случаи, при которых достаточно тяжело (а иногда и не возможно) выполнять эти правила (например, когда монтаж довольно плотен). Чтобы преодолеть эту сложность, приходится снижать плотность монтажа, отводя тем самым больше пространства под «общий провод». Примером максимальной заливки полигоном заземления (массы) легко может служить любая плата печатного монтажа промышленного типа (например, «печатка» любого магнитофона, или телевизора). Если требуется найти общий провод на таких платах, то, ткнувшись в проводник с наибольшей площадью, попадем именно на общий провод.
С цифрой немного иначе, хотя тоже ничего сложного: тут достаточно вычислить точку, в которую сходятся обязательно присутствующие практически в каждой цифровой схеме конденсаторы (бесполярные), установленные параллельно питанию каждой цифровой микросхемы.
Обычно, в промавтоматике все системы имеют как аналоговую, так и цифровую часть. По этой причине могут возникать помехи, наведенные цифровой частью схемы. Чтобы максимально избавиться от помех, наведенных цифровой частью оборудования на всю остальную схему, общий провод аналоговой части максимально разъединяют с цифровой, делая так, чтобы «земля» от «цифры» соединялась с «землей» от «аналога» лишь в одной единственной точке, расположенной как можно ближе к общему проводу источника питания. И обозначают их, так же, по-разному: AGND – общий провод аналогового типа, тогда, как, DGND – соответственно цифровой.
Теперь разберемся с тем, каким образом принято обозначать на схемах различные виды общего провода и точек заземления.
Согласно ЕСКД, точка, относительно которой выполняются замеры всех напряжений и токов схемы считается общей и обозначается вертикальной чертой, касающейся короткой горизонтальной черточки (иногда от этой черточки отходят короткие линии, наклоненные вправо). Точка же, подлежащая соединению с заземлителем, обозначается так же, с той разницей, что под горизонтальной линией расположены еще две, образующие в сумме с первой треугольник (вторая короче первой, а третья – короче второй).
На зарубежных схемах, кроме того, имеется еще и разграничение между общим проводом аналогового и цифрового типов: аналоговый общий провод обозначается в виде вертикальной черточки, заканчивающейся закрашенным равносторонним треугольником, вершина которого направлена вниз, тогда, как в цифровом виде эта черточка оканчивается лишь контуром такого треугольника. В любом случае, если используется отдельный общий провод для цифры и аналога, то на схемах разработчики стараются подписывать какой тип общего провода используется: AGND или DGND.
Существует множество программ, предназначенных для вычерчивания схем на экране компьютера с возможностью последующей разводки их печатного рисунка. Среди них такие, как sPlan, Eagle, DipTrace и прочие.
P.S. Если у вас есть чем дополнить статью, то пишите в комментариях.
noauthor 
Опубликована: 18.07.2015 
Изменена: 19.09.2015 
0 
0
Вознаградить Я собрал 0 1
Эффективная система заземления на платах с ИС смешанного сигнала
В статье обсуждаются проблемы создания системы заземления на печатных платах (ПП), содержащих микросхемы смешанного сигнала. Предложены практические рекомендации по разводке печатных плат, которые позволяют минимизировать перекрестные помехи и повысить надежность работы системы смешанного сигнала. Рассмотрены базовые принципы протекания тока в печатных платах.
У разработчиков печатных плат часто возникают вопросы, связанные с тем, как правильно выполнить заземление интегральных схем (ИС), которые имеют раздельные аналоговую и цифровую земли. Должны ли эти земли быть совершенно отдельными и никогда не соединяться между собой? Следует ли их соединять в одной точке с помощью разрывов в плоскости земли? Как может быть реализовано заземление на ПП при наличии нескольких ИС, в которых предусмотрены как аналоговая, так и цифровая земли?
В данной серии статей содержатся рекомендации по заземлению ПП для проектов смешанного сигнала. Для большинства приложений применим простой метод без разрезов земляной плоскости, который позволяет успешно выполнить разводку ПП, содержащей микросхемы смешанного сигнала. Мы рассмотрим этот метод ниже и, кроме того, покажем, что базовые принципы, изложенные в данной статье, могут быть использованы в более сложных приложениях.
В первой части статьи мы рассмотрим базовые принципы протекания тока в ПП. Во второй части изучим, как размещать компоненты и выполнить разводку сигнальных проводников, чтобы минимизировать проблемы, связанные с перекрестными помехами. В третьей части рассмотрим особенности протекания токов, потребляемых от источников питания, и завершим эту серию статьей о применении изложенных принципов для заземления схем с несколькими ИС смешанного сигнала.
Следуя за током
Вспомним, что набор соединенных электрических и электронных компонентов мы называем «схемой» или «цепью», поскольку токи всегда протекают от источника к нагрузке, а затем возвращаются назад по обратному каналу, образуя своего рода кольцо. Учет направления протекания токов — как их путей при выполнении полезной работы, так и образующихся каналов обратного тока — является основополагающим принципом проектирования аналоговой схемы. Кроме того, все цифровые схемы являются, по сути, аналоговыми схемами, они представляют собой систему, для которой мы определяем всего два состояния. Транзисторы и другие компоненты, а также токи и напряжения в такой схеме работают в соответствии с теми же физическими принципами, что и другие аналоговые цепи. Они генерируют обратные токи точно таким же образом, как и любые другие схемы.
Рис. 1. Простое соединение — прямое соединение
между двумя ИС
На рисунке 1 показано простейшее соединение в схеме: прямое соединение от одного чипа к другому. В идеальных условиях выходной импеданс ИС1 будет равен нулю, а входной импеданс ИС2 будет бесконечным, поэтому ток в таких условиях не протекает. В реальных же условиях ток будет протекать из ИС1 в ИС2 или обратно. Что происходит с этой схемой?
На самом деле должно существовать еще одно соединение ИС1 и ИС2, которое позволяет протекать току из ИС1 в ИС2 и возвращаться в ИС1 или наоборот. Этим соединением обычно и служит земля, и часто на принципиальной схеме цифровой части системы ее даже не обозначают (см. рисунок 1). В большинстве случаев на принципиальных схемах для обозначения заземления используется специальный символ, как показано на рисунке 2а. На рисунке 2б показана полная цепь протекания тока.
Рис. 2. Простая схема, показанная на рисунке 1: а) земляное соединение обозначено специальным
символом; б) полная цепь с каналом протекания тока по земле
Конечно, сами по себе ИС не являются источниками тока. Ими служат источники питания схемы. Для упрощения предположим, что в схеме имеется одна шина питания, а источником питания служит батарея. Дополним схему развязывающими конденсаторами, шунтирующими источник питания ИС.
Рис. 3. Путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС1
Все постоянные токи начинаются и заканчиваются на источнике питания. На рисунке 3 показан путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС1. Для высокочастотных сигналов (высокая частота в значительной степени определяется шунтирующей емкостью и импедансом источника питания) ток начинается и заканчивается на развязывающем конденсаторе. На рисунке 4 показан путь тока высокочастотного сигнала.
Рис. 4. Путь протекания тока высокочастотного сигнала для случая, когда ток вытекает из ИС1
Важно помнить, что выход не всегда является источником токов. Рассмотрим случай, когда выход ИС1 подсоединен ко входу ИС2, который имеет нагрузочный подтягивающий резистор, подключенный к напряжению питания VDD. На рисунке 5 показан путь протекания переходного (высокочастотного) тока для такого случая от конденсатора C2 через подтягивающий резистор в ИС2, через полевой транзистор нижнего плеча, который находится во включенном состоянии — в ИС1, а затем — через вывод земли ИС1 на земляной вывод C2. Хотя ИС1 является управляющим устройством, подключение выхода ИС1 с помощью полевого транзистора к земле приводит к тому, что ток от C2 протекает через ИС2 и втекает в ИС1. Если выход ИС1 на рисунке 5 остается в состоянии низкого уровня длительное время – потребляемый статический ток будет вытекать прямо из источника питания (рисунок 6).
Рис. 5. Путь протекания высокочастотного тока для случая, когда ток вытекает из ИС2
До сих пор в нашем обсуждении использовалась упрощенная модель. Мы условно разделили сигналы на низкочастотные и высокочастотные, как если бы между ними существовала вполне определенная граница. В реальности всегда имеются оба канала протекания тока. На рисунке 6 при начальном переходе выхода ИС1 в состояние низкого уровня ток вытекает из развязывающего конденсатора ИС2. Это объясняется тем, что на выходе ИС1 требуется почти мгновенное изменение тока, поступающего от входного вывода ИС2, который привязан резистором к напряжению питания.
Рис. 6. Путь протекания постоянного тока для случая, когда ток вытекает из ИС2
Мы подключили развязывающий конденсатор к ИС2 на очень близком расстоянии от ее выводов питания и земли, чтобы обеспечить требования быстрого изменения тока. Источник питания не может обеспечить такой быстрый переходный ток, поскольку он расположен не так близко от ИС и потому имеет значительное сопротивление и, что более важно — существует индуктивность между этим источником питания и выводом напряжения питания ИС2.
Цель подключения развязывающего конденсатора к микросхемам — обеспечить переходные (высокочастотные) токи, что не способен сделать источник питания. По мере того как переходный процесс спадает, все большая часть тока поступает от источника питания, а меньшая его часть — от развязывающего конденсатора.
Упростим нашу концепцию еще больше, допустив, что постоянный ток поступает от источника питания, а переменный — от развязывающего конденсатора. Мы знаем, конечно, что в реальности дело обстоит немного сложнее.
Рассматривая более динамичную ситуацию, мы обнаружим, что путь протекания токов представляет собой сочетание всех четырех вариантов, рассмотренных выше. Общий путь в любом направлении начинается с вывода питания компонента, из которого вытекает ток (ИС1 или ИС2), проходит через этот компонент и через соединение с другим компонентом (ИС2 или ИС1), а затем протекает через второй компонент к выводу земли этого компонента.
Каким образом ток завершает свой круговой путь от вывода земли к выводу питания компонента источника – зависит от частоты сигнала. Постоянный ток полностью вернется в земляной терминал источника питания, он будет протекать от вывода питания ИП к выводу питания компонента, из которого вытекает ток. Ток высокочастотного сигнала вернется в земляной вывод развязывающего конденсатора компонента с вытекающим током, который также передает ток в вывод питания.
В реальности всегда присутствуют оба компонента тока, причем для низкочастотных сигналов доминирующим является путь постоянного тока. Не забывайте, что даже если цифровой сигнал переключается с низкой скоростью (как, например, в случае прямоугольного сигнала с частотой 1 Гц), переключения из одного состояния в другое, вызываемые переходными токами, происходят с частотой, которую имеет намного более высокочастотный сигнал. Они просто происходят реже.
Обсуждая, как реализовать заземление на корректно выполненном проекте, мы полагаем, что развязывающие конденсаторы и выводы питания и земли микросхемы находятся в непосредственной близости друг от друга. Развязка подобного рода существенно упрощает работу разработчика. Обычно, рассматривая протекание сигнальных токов в печатной плате, мы представляем развязывающие конденсаторы и ИС как одно целое.
Заметим, наконец, что питающий ток для высокоскоростных переменных сигналов проходит очень короткое расстояние от развязывающего конденсатора до ИС, которую он шунтирует. Пути тока в самой ИС, конечно, малы. Подавляющая часть пути тока в петле приходится на соединение между выходом одного чипа и входом другого и канал возврата тока через землю.
Изучите рисунки 4 и 5 и подумайте, что произойдет, если ИС отделить друг от друга на большее расстояние. Развязывающие конденсаторы остаются рядом с соответствующими ИС, и все расстояние увеличивается за счет удлинения соединения между чипами и пути возврата тока через землю. Для токов высокоскоростных сигналов именно здесь могут возникнуть проблемы.
Цифровые и аналоговые источники питания и земли
На схемах, приведенных выше, мы не определили, являются ли ИС и сигналы цифровыми или аналоговыми. ИС1 может быть операционным усилителем с полевым транзистором нижнего плеча в выходном каскаде, входной вывод на ИС2 может быть входом АЦП. ИС1 может быть микроконтроллером с двухтактным выходом в качестве стандартного порта ввода/вывода, вход ИС2 может быть управляющим выводом ЦАП. Мы упомянули об АЦП и ЦАП, как о типичных компонентах, по поводу которых возникают вопросы, связанные с заземлением как для аналоговых, так и для цифровых сигналов. Аналоговые схемы обычно имеют дело с сигналами, которые изменяются плавно и непрерывно и для которых небольшие изменения напряжения и тока имеют существенное значение. Цифровые схемы работают на основе скачкообразного перехода из одного состояния в другое, генерируя импульсы тока. Для них обычно допускаются широкие диапазоны напряжений, которые соответствуют определенному состоянию. Именно такие, достаточно большие по величине, резкие импульсы цифрового тока во время перехода схемы из одного состояния в другое могут исказить аналоговые сигналы, если их надлежащим образом не отделить друг от друга.
Путь наименьшего импеданса
Широко известен принцип, согласно которому ток протекает по пути наименьшего сопротивления. К сожалению, этот принцип верен только для постоянных токов. Более полным и точным вариантом изложения этого принципа является утверждение, что ток протекает по пути наименьшего полного сопротивления (импеданса). Для постоянного тока имеет значение только резистивная часть импеданса. В случае сплошной плоскости заземления путь наименьшего сопротивления представляет собой прямую линию. В действительности ток будет протекать и не по прямому пути.
Величина тока по любому конкретному пути будет обратно пропорциональна расстоянию, поскольку сопротивление земляного слоя на единицу длины — величина практически постоянная. Поэтому большая часть тока будет протекать по прямолинейному пути наименьшего сопротивления, а меньшая часть тока — по пути, который все больше отклоняется от прямолинейного. Для упрощения мы обозначим постоянные токи как токи, текущие по прямолинейному пути, с учетом того, что имеется довольно широкое распределение токов, причем ток максимальной величины протекает вдоль этой прямой линии.
Для сигналов, которые имеют наибольшее значение, то есть для переменных сигналов, нам также следует рассмотреть реактивную часть импеданса. Для печатных плат, в которых используется плоскость земли, смежная с сигнальным слоем, мы имеем однозначно определенное значение импеданса, которое зависит от геометрии проводника, толщины слоя печатной платы, отделяющего проводник от слоя земли, материала платы и частоты сигнала. Все математические подробности, связанные с этими параметрами, выходят за пределы данной статьи. К счастью, нет необходимости погружаться в математические расчеты, чтобы использовать предложенную концепцию и получить хорошие результаты.
Рис. 7. Простое соединение двух ИС с помощью
проводника, идущего не по кратчайшему пути
Рис. 8. Токи возврата через землю протекают по
пути наименьшего сопротивления (синие стрелки) и
по пути наименьшего импеданса (красные стрелки)
Рассмотрим очень простой пример для одного проводника, соединяющего две ИС. Представим, что микросхемы установлены на печатной плате, а соединяющий их проводник проложен не по кратчайшему пути (рисунок 7). Допустим, имеется сплошная плоскость земли с соединением к земляному выводу каждой ИС вблизи от точки подключения проводника. Обратные токи должны протекать от заземляющего соединения одной ИС к заземляющему соединению другой ИС. Поскольку у нас имеется сплошная земляная плоскость, путем наименьшего сопротивления и, следовательно, путем постоянного тока, будет прямая линия (путь, обозначенный синей стрелкой на рисунке 8). Для высокочастотных сигналов (из-за взаимной индуктивности между проводником и земляной плоскостью под ним) путем с наименьшим импедансом на плоскости земли оказывается путь, расположенный непосредственно под проводником (путь, обозначенный красной стрелкой на рисунке 8).
Но какую частоту считать высокой? Эмпирическое правило на этот счет гласит, что обратные токи сигналов частотой в несколько сотен килогерц и выше протекают под сигнальными проводниками. Рабочая частота, выше которой она считается «высокой», определяется геометрией проводника и печатной платы (ширина проводника, зазор между слоями) и материалом платы (диэлектрическая постоянная). Для определения того, будет ли обратный ток следовать вдоль проводника, в наиболее общем случае нам нужно точно знать, какова эта частота.
Математическое описание этого явления чрезвычайно сложно и, по мнению автора, весьма запутано. К счастью, доктор Брюс Аршамбо (Bruce Archambeault) опубликовал свою работу, в которой представил рисунки, иллюстрирующие эту проблему намного лучше, чем страницы текста, полные уравнений. На рисунке 9 в качестве примера показана топология U-образного проводника, проходящего над земляной плоскостью.
Рис. 9. Топология U-образного проводника, проходящего над земляной плоскостью (рисунки 9…12
опубликованы с разрешения Брюса Аршамбо)
Д-р Аршамбо выполнил электромагнитное моделирование для сигналов различной частоты, чтобы выяснить, по какому пути протекает ток. Прямые токи сигналов для каждого случая, конечно, ограничены проводником, однако обратные токи по земле могут протекать в любом участке земляной плоскости.
Рис. 10. Ток земли частотой 1 кГц протекает от нагрузки к источнику по прямой линии
На рисунке 10 показано, как протекают токи сигнала частотой 1 кГц. Ток земли главным образом протекает от нагрузки к источнику по прямой, что показано с помощью узкой желтой линии. Небольшая величина тока земли протекает вдоль пути сигнала (обозначено светло-синим цветом), в то время как еще меньшая часть тока протекает между этими двумя путями, что показано с помощью более темного оттенка синего цвета на большей части плоскости земли.
Рис. 11. Ток земли частотой 50 кГц протекает по всей плоскости
На рисунке 11 показан ток для сигнала частотой 50 кГц, текущий главным образом вдоль сигнального проводника (широкая зеленая полоса вдоль проводника) и, в меньшей степени — непосредственно от нагрузки к источнику (более бледная и широкая зеленая линия между двумя концами проводника), а также в промежуточной области. В средней области, которая окрашена в светло-синий (а не темно-синий) цвет, протекает минимальная величина тока. Наконец, на рисунке 12 показаны пути тока для сигнала 1 МГц. Практически весь обратный ток земли протекает вдоль сигнального проводника.
Рис. 12. Ток земли частотой 1 МГц протекает вдоль сигнального проводника
Как можно было бы предполагать, для этого случая обратный ток не распределяется по плоскости земли шире, чем сам проводник. Распределение тока для таких высоких частот определяется следующим уравнением:
где J(x) — плотность тока, I — общий ток, w — ширина проводника, h — толщина слоя ПП (высота проводника над земляной плоскостью), x — ширина зоны измерения тока под проводником (рисунок 13).
Рис. 13. Поперечный разрез печатной платы
Важно отметить, что данное уравнение не зависит от частоты (опять же, полагая, что частота достаточно высокая, о чем говорилось выше). Если оценить уравнение, мы получим гауссово распределение с пиком, который находится прямо под центром проводника.
Если суммировать ток в полосе между x = -h и x = h, то обнаружим, что 50% общего тока протекает в этой области. Более того, 80% тока находится в полосе между x = -3h и x = 3h. Как можно догадаться интуитивно, чем тоньше слой печатной платы (то есть, чем ближе проводник расположен к плоскости земли), тем более плотным будет распределение тока.
Что дальше?
Изложенные базовые принципы протекания тока можно применить и для более сложных схем. В следующей части статьи мы рассмотрим принципы протекания тока в реальных схемах и обсудим способы создания печатных плат, свободных от распространенных проблем с заземлением.
Используйте земляной полигон всегда, когда это возможно. Советы и рекомендации по компоновке печатных плат
Я не отрицаю, что можно разработать печатную плату без слоя земли, и во многих случаях вы можете таким способом создать полностью рабочую плату (или, по крайней мере, она будет полностью рабочей при работе в благоприятной среде). И хотя, на мой взгляд, есть несколько ситуаций, в которых выполнение соединений земли с помощью обычных дорожек является неплохой идеей, но полигоны земли – это простой способ улучшить производительность и предотвратить проблемы.
Медь – это резистор
В принципиальных схемах провода идеальны, но в реальной жизни таких проводов нет (если кто-то не начал производство печатных плат, используя сверхпроводники. ). Физические соединения, включая проводники на печатных платах, представляют собой резисторы с низким значением. Тот факт, что мы часто можем игнорировать это сопротивление соединений, не означает, что оно не влияет на работу схемы. На странице 8 этого документа, опубликованного Analog Devices, автор демонстрирует, что 5-сантиметровая дорожка печатной платы может вносить в оцифрованные значения, генерируемые 16-разрядным АЦП, ошибки, превышающие 1 младший бит.
Расчет сопротивления проводника
\[R= \rho \cdot
Во многих случаях мы мало что можем сделать, чтобы смягчить влияние сопротивления сигнального проводника: крошечные микросхемы и стремление к миниатюризации схемы часто приводят к переполненным слоям, которые не допускают широких проводников или оптимального размещения компонентов. Однако мы можем улучшить общую ситуацию, используя полигон земли, который уменьшает сопротивление обратного пути.
Это уменьшенное сопротивление обратного пути является фундаментальным преимуществом включения земляного полигона в вашу печатную плату. Он уменьшает шум, вызванный колебаниями обратного тока, и устанавливает более равномерное напряжение земли (поскольку меньшее сопротивление означает меньшее падение напряжения между физически разделенными частями сети земли). Отдав земле целый слой и соединив с помощью переходных отверстий с ним всё, вы сделаете физически реализованную схему более похожей на идеализированную схему на чертеже принципиальной схемы.
Проще и меньше
Земляной полигон улучшает электрические характеристики вашей схемы, одновременно упрощая задачу компоновки и в некоторых случаях уменьшая размер вашей печатной платы. Я не буду останавливаться на этих аспектах, потому что думаю, что они более или менее говорят сами за себя. Полигон позволяет вам получить доступ к сети земли в любом месте, где вы можете сделать переходное отверстие – а сделать переходное отверстие гораздо проще, чем проложить проводник земли через запутанный набор дорожек, полигонов меди и микросхем с мелким шагом выводов.
Эта улучшенная разводка может позволить вам сдвинуть компоненты ближе друг к другу и, таким образом, уменьшить размер платы, хотя есть также вероятность того, что плата в конечном итоге станет больше, если из-за полигона земли вы потеряете один из двух слоев для компонентов (к этому я еще вернусь к концу статьи).
Избегайте земляных петель
По моему опыту, термин «земляная петля» может относиться к любой ситуации, в которой на систему влияет разница потенциалов у земли. Типовым примером является случай, когда два модуля соединены длинным кабелем, и обратный ток в кабеле приводит к тому, что напряжение земли одного модуля значительно выше, чем напряжение земли другого модуля. Однако в этом обсуждении я имею в виду конкретно петлю из проводников земли; например:
Пример «земляной петли»
Если вам необходимо выполнить много соединений с землей с помощью отдельных проводников на печатной плате, то вам не составит труда создать петлю, подобную показанной выше. Если вы читали мою статью о взаимной индуктивности, вы знаете, что такого рода проводящая петля является хорошим приемником магнитных помех.
Наличие земляного полигона не делает невозможным создание земляной петли, поскольку CAD-программа не помешает вам рисовать дорожки между точками соединения с землей. Но если вы соединения с землей выполняете последовательно, используя переходные отверстия, проблема должна в значительной степени исчезнуть: выводя переходные отверстия на полигон, вы создаете прямое соединение от компонента к точке земли, которая через низкое сопротивление соединяется ко всем остальным точкам земли в схеме.
Правильное соединение компонентов с земляным полигоном
Встроенный экран
Сплошной земляной полигон обеспечивает некоторую степень защиты от электромагнитных помех (как излучаемых, так и принимаемых). Я бы не стал полагаться на землю для решения всех проблем с электромагнитными помехами, особенно если у вас есть компоненты на обеих сторонах платы; тщательно спроектированный проводящий корпус был бы более эффективным. Тем не менее, всё немного помогает, и если вы беспокоитесь об электромагнитных помехах, у вас есть еще одна причина для включения полигона земли в компоновку вашей платы.
Конденсатор из полигонов на печатной плате
Это не главное преимущество, и оно применимо только к земляным полигонам, которые смежны с полигонами питания. Но думаю, это всё-таки стоит упомянуть. Земляной полигон, отделенный от полигона питания тонким диэлектриком, очень похож на конденсатор с параллельными пластинами, чем это и является. Эта структура добавляет к цепи источника питания небольшую распределенную емкость по всей вашей печатной плате, хотя она, конечно, не заменит блокировочные конденсаторы.
Практические препятствия
Я не могу представить сценарий, при котором четырехслойная печатная плата не имела бы земляного полигона. Предполагаю, что вполне возможно, что при очень плотной компоновки для нормальной разводки сигналов потребуются оба внутренних слоя, но, честно говоря, это кажется маловероятным: да, полигон занимает площадь платы, но за счет упрощения соединений с землей он также уменьшает общую площадь области разводки платы.
Гораздо более реалистичный сценарий состоит в том, что земляной полигон отбрасывается, потому что проблемы со временем или бюджетом приводят к выбору двухслойной платы. Теперь земляной полигон будет занимать один из двух слоев печатной платы. Действительно, стоит ли выделять слой под землю, если это означает, что почти все дорожки и компоненты перемещаются на один слой? На мой взгляд, да, всё же лучше добавить земляной полигон, если схема не настолько проста, что для организации земляных соединений вы можете использовать хорошо организованные дорожки с низким сопротивлением. Но, честно говоря, если ваши ограничения по размеру настолько сильны, что вы не можете сделать плату достаточно большой, чтобы разместить земляной полигон снизу, а аккуратную компоновку сверху, вам стоит перейти к четырехслойной плате.
Это первый слой для двухслойной платы, которую я разработал некоторое время назад. Иногда вам действительно нужен второй слой в качестве пути обхода для нескольких сложных соединений, и это не главная проблема. Слой полигона не обязательно должен быть на 100% занят землей.
Резюме
Добавление слоя с земляным полигоном на печатную плату – это простой, недорогой, высокоэффективный способ проектирования электронных устройств, которые имеют лучшую целостность сигнала, бо́льшую аккуратность и бо́льшую устойчивость к помехам. Если вы еще не привыкли использовать слой с полигоном земли, вспомните о его преимуществах, когда придет время разрабатывать следующую плату.
Разведение питания
При конструировании электронных устройств есть ряд особенностей которые явно не видны на схеме и не обнаруживаются в симуляторах, но оказывают активнейшее влияние на работу схемы, провоцирующее плавающие глюки и неполадки.
Хорошим источником приколов может служить земляная шина, будучи проложена без учета ряда особенностей.
Вообще, грамотная разводка это та еще черная магия. Толковых подробных мануалов по сему предмету я не встречал, а все что знаю — продукт собственных умозаключений и обрывки толковых мыслей с разных форумов. В общем, если есть что добавить — добавляйте.
Гладко было на бумаге, но забыли про овраги
Представим себе схемку, обычная такая схема. Питальник, хороший мощный. Цифровая управляющая логика — микроконтроллер, Большой П… в смысле потребитель — мощная силовая нагрузка. Жрущая, например, 10А. И датчик, который измеряет некоторые параметры Большого П и скармливает контроллеру. Как то так:
Будет работать? По идее должно. Но для того, чтобы оно работало надо это дело воплотить в печатной плате и изготовить. Разводка платы в первом приближении выглядеть может так:
В самом деле, чего мудрить то? Все просто и очевидно. На бумаге, ага. Прикол в том, что дорожки далеко не идеальные и у них тоже есть сопротивление. Небольшое, десятые доли Ома, но есть. Перерисуем первоначальную схему исходя из этого уточнения:
А теперь врубаем наш БОЛЬШОЙ ПЭ. И он вкачивает в нашу, нифига не идеальную, земляную дорогу свои 10А , щедро загребаемые им с 40 вольтового выхода. Мощно подтягивая ближний конец линии к своему питанию.
И на каждом участочке нашей земляной линии высаживается какое-то напряжение. Исходя из закона Ома — это будет I*R, при сопротивлении в 0.1 ом и токе в 10А мы имеем 1 вольт. Это на каждом кусочке! Т.е. чем дальше от нашей точки нулевого потенциала (минус питания, куда приходят все токи) тем больше нарастание падения.
И вот смотрим ситуацию — на нашей земляной линии образовались падения напряжения и чем дальше от БП, тем они больше суммируются, приближаясь к питанию силового элемента. Да так, что наш контроллер вообще обесточился — на его земляном входе оказалось 5 вольт, что дало разность потенциалов между его Vcc, запиатанной от +5 вольт, в 0. А будь ток не 10А, а в два раза больше, то там бы было 10 вольт (-5V разницы) и эффект был бы равносилен переполюсовке, что моментом отправит наш контроллер в ад.
При меньшем токе, мы бы получили снижение питания контроллера со всеми вытекающими последствиями, как то сбои, рассогласование уровней с датчиком, которого накрыло меньше, т.к. он был ближе к земле. Но тоже приятного мало.
Что делать?
Решение очевидное — в таких случаях надо просто разнести контура силовой и управляющей части, выделить под мощные токи отдельную дорогу, дабы не делать падение напряжения.
Усе, теперь эти 10А сразу попадут на БП, не создавая нам перекосов в управляющих цепях.
Мины рвутся по углам
С Большим ПЭ ситуация ясна и прозрачна, однако бывают и менее явные случаи. Что у нас может дать бесконечно большой ток на бесконечно малом промежутке времени? Правильно — заряжающийся кондер.
А поможет ему в этом заряженный кондер на выходе блока питания, одолжив ему энергии для диверсии — он, в отличии от Блока Питания, имеет предельно низкое внутреннее сопротивление и способен такой ток выдать.
Конечно длительность такого процесса будет микроскопической, в зависимости от размеров заряжаемой емкости. Но так и контроллер у нас далеко не тормоз — ему этого дрыга хватит вполне чтобы ребутнуться или зависнуть.
А если возникнет импульсный бросок напряжения между выводами кварца, то контроллер может посчитать это за ложный тактовый импульс. И если он будет короче предельно допустимого тактового импульса, то контроллер запросто может повиснуть или заглючить — какая либо из цепей не успеет правильно обработать и привет. И фиг ты такое отловишь, а без осциллографа просто труба.
В общем, критические земляные цепи, вроде кварцев, должны быть разведены тупиковыми ветвями, не допускающими сквозных токов.
Где прячутся конденсаторы
А они повсюду, где то больше, где то меньше, но емкости присутствуют повсеместно, начиная от емкостей между дорожками и кончая затворами полевых транзисторов. Переключение этих транзисторов это банальный перезаряд этих емкостей.
А учитывая, что все современные микроконтроллеры построены на сотнях тысяч полевых транзисторах и у каждого из которых есть своя затворная емкость. Она может и незначительная, но их там дофига, и тикают они синхронно.
Поэтому-то на шины питания микросхем рекомендуют ставить керамические кондеры, причем максимально близко к микрухам. Они служат для подпитки энергией при перезарядке множества паразитных емкостей транзисторов внутри контроллеров, чтобы эти броски тока не лезли наружу, не загаживали питание.
А шины питания и, особенно, земли стараются делать максимально толстыми — для снижения сопротивления, и стараются разводить их звездочкой. Дабы не допускать замкнутых контуров, чтобы токи разных потребителей, особенно мощных или с повышенным количеством перезаряжающихся емкостей, не шныряли по чужим землям.
Плюс не стоит выпускать из виду и такой момент как электромагнитные наводки. Мощная силовая дорога, идущая по плате круголями, может послужить зверской катушкой индуктивности и навести кучу мусора на информационные цепи. Пример я уже приводил, причем там была слаботочка.
В аналоговых цепях, особенно микровольтных и слаботочных, это все еще жестче. Т.к. там малейший цифровой мусор в шине питания/земли может быть соразмерен полезному сигналу, сводя на нет все попытки его обработать. Поэтому там цепи прячут под экранирующие колпаки — защита от электромагнитных наводок и размещают подальше от цифровых — защита от паразитных емкостей между цифровыми и аналоговыми сигналами.
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.
84 thoughts on “Разведение питания”
Я бы силовые цепи запхал на отдельную плату, но порой это бывает невозможно((