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Interférence et suppression des fils au sol PCB
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Interférence et suppression des fils au sol PCB

Interférence et suppression des fils au sol PCB

2022-02-24
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Author:pcb

In PCB board design, especially in high-frequency circuits, 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, introduces three types of ground wire interference in detail, Et proposer des solutions basées sur l'expérience pratique. These anti-jamming methods have achieved good results in practical applications, Permettre à certains systèmes de fonctionner avec succès sur le terrain. Dans un système à puce unique, the PCB board (printed circuit board) is an important component used to support circuit components and provide electrical connections between circuit components and devices. Il doit y avoir une certaine impédance dans le processus de conduction. The inductance component in the wire will affect the transmission of the voltage signal, La composante de résistance affecte la transmission du signal de courant. The influence of the inductance is particularly serious in the high-frequency line. L'influence de l'impédance de mise à la terre doit être notée et éliminée..

Circuits imprimés


1. The reason for the interference
Resistance and impedance are two different concepts. L'état DC se réfère à l'impédance du conducteur, L'impédance est la résistance du conducteur au courant en courant alternatif., which is mainly caused by the inductance of the wire. Parce que le fil de terre a toujours une impédance, when measuring the ground wire with a multimeter, La résistance des fils de mise à la terre est généralement de MM ). Prends un fil de 10 cm de long., a width of 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), where L is the length of the wire (m), s is the cross-sectional area of the wire (mm2), and ρ is the resistivity ρ=0.02, so the resistance value of the wire is about 0.026 Île. When a piece of wire is far away from other wires and its length is much greater than its width, Le facteur d'auto - inductance du conducteur est 0.8 μH/m, then the inductance of a 10 cm long wire is 0.08 ¼ heures. Then calculate the inductive reactance of the wire by the following formula: XL=2πfL, Dans la formule suivante:, f is the frequency (Hz) of the signal passing through the wire, and L is the self-inductance of the wire per unit length (H). Alors..., the inductive reactance values of the wire at low frequency and high frequency are calculated respectively: in the actual circuit, Le signal qui provoque une interférence électromagnétique est généralement un signal d'impulsion, and the pulse signal contains rich high-frequency components, 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, the operating frequency of the circuit is very high, 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. This is why a large voltage drop occurs when current flows through a small resistor, Cause un mauvais fonctionnement du circuit.

2. Ground wire interference mechanism
2.1 Ground loop interference
Ground loop interference is a relatively common interference phenomenon that often occurs between devices that are connected by long cables and are far apart. La principale raison de l'interférence électromagnétique du fil de terre est l'impédance du fil de terre.. When the current flows through the ground wire, 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, resulting in ground loop interference. 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". Due to the unbalance of the circuit, Le courant sur chaque fil est différent, Il en résulte une tension en mode différentiel, Ça interfère avec le circuit.. Since the ground loop interference is caused by the ground loop current, Il se trouve parfois que lorsque le fil de terre de l'équipement est déconnecté, Les perturbations disparaissent, because the ground loop is cut off when the ground wire is disconnected. Ce phénomène se produit souvent dans les situations d'interférence à basse fréquence.. When the interference frequency is high, Peu importe si le fil de terre est déconnecté.
2.2 Common Impedance Interference
In digital circuits, Parce que la fréquence du signal est très élevée, the ground wire often presents a large impedance. En ce moment, when several circuits share a section of ground wire, En raison de l'impédance du fil de terre, the ground potential of one circuit will be modulated by the operating current of the other 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, or use single-point grounding to completely eliminate the common impedance, 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, the parasitic capacitance in the circuit (sometimes there is a filter capacitor at the input of gate 2) will discharge to the ground wire through gate 1. En raison de l'impédance du fil de terre, the discharge current will be A peak voltage is generated on the ground line. Si la sortie de la porte 3 est faible à ce stade, the peak voltage will be transmitted to the output terminal of gate 3 and the input terminal of gate 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 Ground loop electromagnetic coupling interference
The "ground loop" will surround a certain area. Selon la loi de l'induction électromagnétique, if there is a changing magnetic field in the area surrounded by the loop, Le Courant induit sera généré dans le circuit, causing interference. Le champ magnétique Spatial Change partout, so the larger the enclosed area, Plus l'interférence est grave.

3. Methods to solve the ground wire interference
3.1 Solve the ground loop interference
There are three basic ideas to solve the ground loop interference: one is to reduce the impedance of the ground wire, 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, and ground through the other chassis, C'est le concept de mise à la terre en un seul point.. The third is to increase the impedance of the ground loop, Cela réduit le courant de retour au sol. When the impedance is infinite, Le circuit au sol est en fait coupé, that is, Le circuit au sol est éliminé. Therefore, the following solutions are proposed to solve the ground loop interference.
1) Float the device on one side
If one side of the circuit is left floating, the ground loop is cut off, Cela élimine le courant de retour au sol. But there are two issues that need attention. Premièrement, pour des raisons de sécurité., the circuit is not allowed to float. Dans ce cas,, consider grounding the device through an inductor. Voilà., the grounding impedance of the 50 Hz AC current equipment is very small, Pour les signaux d'interférence à haute fréquence, the grounding impedance of the equipment is large, 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. Another problem is that although the device is floating, La capacité parasitaire est toujours présente entre l'équipement et la mise à la terre. This capacitance provides lower impedance at higher frequencies and therefore does not effectively reduce the high frequency ground loop current.
2) Use a transformer
The basic method to solve the ground loop interference is to cut off the ground loop. Les transformateurs d'isolement sont utilisés à cette fin, and the signal transmission between the two devices is carried out by magnetic field coupling, Évitez les connexions électriques directes. At this time, La tension d'interférence sur le fil de terre se produit entre le primaire et le secondaire du transformateur, not at the input end of the 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.. Cependant,, it must be noted that the grounding end of the shielding layer of the isolation transformer must be at the receiving end of the circuit. Sinon, it will not only fail to improve the high-frequency isolation effect, Le couplage à haute fréquence est également aggravé. Therefore, Le transformateur doit être monté sur le côté du récepteur de signal.. La méthode d'isolement du transformateur présente certains inconvénients., it cannot transmit DC, C'est lourd., and the cost is high. En raison de la capacité parasitaire entre primaire et secondaire du transformateur, L'isolement à haute fréquence n'est pas très bon.
3) Use Optical Isolation Elements
Transmitting signals with light is an ideal solution to ground loop problems. Comme le montre la figure 3, the parasitic capacitance of the optocoupler device is about 2 pF, Donc il peut être isolé à très haute fréquence. If an optical fiber is used, Aucun problème de capacité parasitaire, and a very perfect isolation effect can be obtained. Cependant,, the use of optical fibers will bring other problems, 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, and the installation and maintenance of optical cables are more complicated. Lors de l'utilisation, pay attention to the use of optical isolation components
4) Use a common mode choke
The ground wire voltage is actually a common mode voltage, 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, otherwise the isolation effect on high frequency interference is very poor. 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 of ground loop interference by balanced circuit
A balanced circuit is defined as two conductors and the circuit they connect to have the same impedance with respect to a ground wire or other reference object. Difficile à équilibrer à haute fréquence, and the actual circuit will have many parasitic factors, Comme la capacité parasitaire, inductance and so on. 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.. Therefore, Haute fréquence, the circuit balance is often poor, 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 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. Premièrement, réduire l'impédance du fil de terre commun, so that the voltage on the common ground wire is also reduced, Pour contrôler le couplage de co - impédance. Another method is to avoid the common ground wire of circuits that are prone to mutual interference through appropriate grounding methods. En gros, Le fil de mise à la terre partagé par les circuits à courant fort et à courant faible doit être évité., and the shared ground wire of digital circuits and analog circuits. 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:, circuits can be classified according to strong signals, Signal faible, Signaux analogiques, digital signals, Attendez.., and then use series single-point grounding within similar circuits, Comme le montre la figure 4, and different types of circuits use parallel single-point grounding, 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.. When the signal frequency is higher than 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., and also reducing the external electromagnetic radiation of the loop. Comme indiqué précédemment, the problem with reducing the impedance of the ground wire is to reduce the inductance of the ground wire. Vous pouvez utiliser un fil plat comme fil de terre, or use multiple parallel conductors that are far apart as the ground wire. 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, a special layer can be used as the ground wire to reduce the impedance.

4. Conclusion
Anti-interference design is an important part of single-chip system design, La qualité de sa conception détermine souvent le succès ou l'échec de l'ensemble du système.. Regarding grounding, De nombreuses monographies sur la compatibilité électromagnétique sont examinées en détail.. However, 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, and explains the general methods and principles in the design of the ground wire. 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?, so as to better improve the reliability of the printed circuit boards work.