5.6.3. Как заземлять: разными проводами в одну точку, или кратчайшим путём на шину?

И вот мы нашли подходящее для наших условий заземление. Как соединить с его клеммой наши узлы и приборы?

К решению этого вопроса существует два основных подхода, обозначенных в заголовке параграфа.

  1. От точки заземления по всему устройству (или комплексу приборов) идет широкая шина заземления, к которой кратчайшим путём заземляются все узлы\приборы.

  2. От каждого заземляемого узла\прибора идет свой отдельный провод в единственную точку заземления.

Плюсы и минусы обоих способов зависят от величины токов и верхней частоты спектра обрабатываемого сигнала\помех и связанных с этим распределенной индуктивности и емкости проводников, соединяющих узел\прибор с заземлением. Точнее говоря, от модуля полного сопротивления этих проводников. Еще точнее – от их реактивности, т.к. омическое сопротивление обычно пренебрежимо мало.

Если эта реактивность очень низка (т.е. у нас низкие частоты), а заземляемые токи малы, то никакой разницы между обоими способами нет: и на заземлении, и на проводниках, соединяющих наши узлы\приборы с точкой заземления, ноль напряжения, вне зависимости от заземляемого тока. Т.е. заземление полностью выполняет свои функции. А вот на высокой частоте разница есть.

На рис. 5.26 упрощенно показана схема заземления каждого узла кратчайшим путём на шину земли. На этом рисунке погонная индуктивность и сопротивление шины земли показаны в виде отдельных элементов.


Рис. 5.26.

Недостатков у схемы рис. 5.26 два. Точнее один, но в двух неприятных проявлениях:

  1. Не одинаковое напряжение на земляных (нижних по схеме) выводах разных узлов. Например, на рис 5.26 через L1+R1 текут токи заземления от всех трех узлов, а через L3+R3 – только от третьего. Это приводит к появлению разности потенциалов между земляными выводами узлов (посмотрите, например, на рис. 5.13). То есть, к полезному входному сигналу по входу добавляется паразитный сигнал из-за разности потенциалов между землями соседних узлов. Это приводит к взаимным помехам. Но не только.

  2. Этот паразитный сигнал из-за разности потенциалов между землями фактически является паразитной связью между каскадами (а погонная индуктивность шины заземления – элементом этой связи). В усилителях это может привести к самовозбуждению на рабочей частоте или на СВЧ (п. 5.3.3).

Все эти неприятности связаны с погонной индуктивностью общей шины земли. Поэтому при заземлении по схеме рис. 5.26 применяют только широкие шины с малой индуктивностью, например, один из слоев на многослойной плате.

Достоинства схемы заземления рис 5.26:

  1. Нет больших контуров растекания тока по земле. Всё заземляется на шину кратчайшим путём.

  2. Между соседними каскадами получается минимальная индуктивность земли. А, значит, и минимальная задержка, что крайне важно в высокоскоростных цифровых устройствах.

  3. К общей шине земли легко крепятся экранирующие перегородки и глухие экраны, которые помимо экранирования становятся частью шины заземления, чем еще более снижают её погонную индуктивность.

На рис. 5.27 упрощенно показана схема, где от каждого заземляемого узла\прибора идет свой отдельный провод в единственную точку заземления. Если токи заземления отдельных узлов и индуктивность их заземляющих проводников примерно одинаковы, то напряжения на нижних (земляных) выводах всех узлов также будут равны или мало отличаться.


Рис. 5.27.

Преимущества схемы рис. 5.27:

  1. Между землями отдельных узлов не возникает разности потенциала (или она мала). Значит, не возникает дополнительная помеха по землям, как в схеме рис. 5.26.

  2. Из-за того, что каждый узел заземлен отдельно не возникает паразитной связи между узлами за счет падения напряжения на одном проводе от заземляющих токов разных узлов.

Недостатки тоже имеются:

  1. За счет большой длины заземляющих проводников они имеют заметную индуктивность. Она по сигналу включается последовательно с узлом. Это приводит к двум неприятностям: повышению ВЧ напряжения на земле узла и дополнительной задержке сигнала. Первая делает невозможным применение такой схемы заземления в ВЧ узлах, вторая нарушает работу высокоскоростных цифровых узлов.

  2. Если заземляемые токи узлов и\или длины заземляющих проводов существенно различаются, то возникает помеха по землям из-за разности потенциалов между земляными выводами разных узлов.

  3. Длинные провода заземления, идущие в одну точку, физически расположены недалеко друг от друга. Поэтому токи, текущие в них, за счет магнитной связи создают паразитные наводки в соседних проводах. Вследствие чего возникает паразитная магнитная связь между разными узлами, показанная на рис. 5.27 как взаимная индуктивность М.

  4. Длинные провода заземления являются эффективными антеннами-излучателями ВЧ токов нашего прибора в эфир.

Видно, что обе схемы заземления имеют свои преимущества и недостатки, которые проявляются неодинаково для разных применений. Коротко сравним их:

  1. Низкочастотные (условно говоря, спектр ниже нескольких мегагерц) и слабосигнальные устройства: аналоговые НЧ приборы, силовая сеть, защита от молний, прецизионные НЧ измерения, и т.п. Преимущество имеет схема рис. 5.27 из-за отсутствия паразитной связи между устройствами и помех по шине земли из-за малой или нулевой разности потенциалов между заземляемыми устройствами.

  2. Устройства с большими (даже низкочастотными) токами и импульсами, т.е. электромагнитно «шумные»: моторы, реле, силовые преобразователи, импульсные блоки питания, тиристорные регуляторы и т.п. Большие токи лучше сажать на землю сразу, не допуская их растекания далеко, т.к. на длинном проводе они наведут много и неизвестно куда и к чему эта наводка приложится. Поэтому тут надо применять схему рис. 5.26, но с отдельной шиной земли, соединенной с другими шинами только в одной точке.

  3. Цифровые устройства. По определению они прощают небольшую амплитудную помеху по входу (пока она не превысит порог переключения), имеют очень широкий спектр импульсов и совсем не переносят неучтенных дополнительных задержек сигнала. Поэтому надо применят только схему 5.26. Попытка применить схему 5.27 в цифровых устройствах, скорее всего, приведет к «рассыпанию» временной последовательности и появлению сбоев, известных под названием «иголки по земле», когда триггеры хаотично и непонятно когда переключаются.

  4. Аналоговые ВЧ и СВЧ устройства: усилители, приемники, передатчики. Требуется экранирование отдельных узлов и недопущение паразитной связи между ними за счет растекания токов по земле. Поэтому – только схема рис. 5.26.

  5. Приведенный список хорошо и полезен. Но в реальных устройствах и системах обычно имеются и ВЧ аналоговые узлы, и скоростная цифровая часть, и слабосигнальная низкочастотная, и «шумная» силовая (как минимум импульсные преобразователи питания). Что делать разработчику системы, если требования по заземлению разных узлов противоречат друг другу?

    Задача решается комплексно. Для разных групп устройств используются свои, отдельные земли, разведенные по разным правилам. Для цифровой части используется своя шина заземления, для аналоговой и ВЧ части – своя отдельная. Для слабосигнальных аналоговых НЧ узлов – отдельными проводниками к одной точке. Силовые «шумные» устройства имеют свой отдельный участок земли. Все эти разные земли соединяются отдельными проводами в одной (тщательно выбранной) точке.

    Следует предостеречь от распространенной ошибки: использовать для разных шин земли (скажем аналоговой ВЧ и скоростной цифровой) разных слоёв многослойной печатной платы. Из-за малого расстояния между этими слоями и их большой площади между ними в такой конструкции поучается очень большая паразитная ёмкость, через которую ВЧ токи свободно перетекают с одной шины на другую. А мы делали эти шины как раз для того, чтобы развязать эти токи друг от друга. Правильно в такой ситуации использовать под шины земли только один верхний слой, разделив его на разные зоны, как показано на рис. 5.17. Торцевая емкость тонких слоев минимальна, поэтому паразитная емкостная связь между ними мала.

    В разработке земли реального прибора или системы надо постоянно помнить, что то, что мы называем землей, никогда не имеет нулевого потенциала и является, по сути, элементом паразитной взаимной связи между разными узлами.

    Поэтому даже если ваше устройство имеет только однотипные узлы (скажем, усилитель НЧ), желательно разделять высокоуровневую и слабосигнальную земли, чтобы мощные выходные токи не создавали помех по земле каскадам, работающим с малыми сигналами.

    В разработке земли прибора применяю ненаучный, но дающий хорошие практические результаты метод. Временно представляю, что прибор работает с впятеро большими токами и на впятеро более высокой частоте, чем в реальности. А вся земля (и проводники платы и экраны, внешняя земля) выполнена из графита или стали. И любой ток, протекающий вдоль такой земли, дает заметное падение напряжения. Например, при разработке 500 Вт КВ усилителя мощности, убеждаю себя, что это 2,5 кВт усилитель, работающий до 144 МГц. И с этой точки зрения внимательно системно проанализировать весь прибор \систему. Метод не слишком серьёзен, но помогает найти проблемные места заранее.



    На главную - Main page