Dati PCB - Interferenza e soppressione del cavo di terra PCB

Nella progettazione della scheda PCB, specialmente nei circuiti ad alta frequenza, si verificano spesso fenomeni irregolari e anormali causati da interferenze del cavo di terra. Questo articolo analizza le cause dell'interferenza del filo di terra, introduce in dettaglio tre tipi di interferenza del filo di terra e propone soluzioni basate sull'esperienza pratica. Questi metodi anti-inceppamento hanno raggiunto buoni risultati nelle applicazioni pratiche, consentendo ad alcuni sistemi di operare con successo sul campo. Nel sistema a microcomputer a singolo chip, la scheda PCB (circuito stampato) è un componente importante utilizzato per supportare i componenti del circuito e fornire connessioni elettriche tra i componenti del circuito e i dispositivi. Deve esserci una certa impedenza nel processo di conduzione. La componente di induttanza nel cavo influenzerà la trasmissione del segnale di tensione e la componente di resistenza influenzerà la trasmissione del segnale corrente. L'influenza dell'induttanza è particolarmente grave nella linea ad alta frequenza. Gli effetti dell'impedenza del suolo devono essere notati ed eliminati.

1. La ragione dell'interferenzaResistenza e impedenza sono due concetti diversi. La resistenza si riferisce all'impedenza del filo alla corrente nello stato DC e l'impedenza si riferisce alla resistenza del filo alla corrente nello stato AC, che è principalmente causata dall'induttanza del filo. Poiché il filo di massa ha sempre impedenza, quando si misura il filo di massa con un multimetro, la resistenza del filo di massa è generalmente mmΩ. Prendendo ad esempio un pezzo di filo con una lunghezza di 10 cm, una larghezza di 1,5 mm e uno spessore di 50 μm sul PCB, l'impedenza può essere ottenuta calcolando. R=ρL/s(Ω), dove L è la lunghezza del filo (m), s è l'area della sezione trasversale del filo (mm2), e ρ è la resistività ρ=0,02, quindi il valore di resistenza del filo è di circa 0,026 Ω. Quando un pezzo di filo è lontano da altri fili e la sua lunghezza è molto maggiore della sua larghezza, l'auto-induttanza del filo è 0,8 μH/m, quindi l'induttanza di un filo lungo 10 cm è 0,08 μH. Quindi calcolare la reattività induttiva del filo con la seguente formula: XL=2πfL, nella formula seguente, f è la frequenza (Hz) del segnale che passa attraverso il filo, e L è l'auto-induttanza del filo per unità di lunghezza (H). Pertanto, i valori di reazione induttiva del filo a bassa frequenza e ad alta frequenza sono calcolati rispettivamente: nel circuito reale, il segnale che causa l'interferenza elettromagnetica è spesso il segnale di impulso e il segnale di impulso contiene componenti ad alta frequenza ricchi, quindi genererà una grande quantità di rumore sul filo di terra. tensione. Si può vedere dal calcolo della formula di cui sopra che la resistenza del filo è maggiore dell'induttanza del filo nella trasmissione del segnale a bassa frequenza. Per i circuiti digitali, la frequenza operativa del circuito è molto alta e l'induttanza del filo è molto più grande della resistenza del filo nei segnali ad alta frequenza. Pertanto, l'impatto dell'impedenza di terra sui circuiti digitali è molto considerevole. Questo è il motivo per cui si verifica una grande caduta di tensione quando la corrente scorre attraverso una piccola resistenza, causando il funzionamento anomalo del circuito.

2. Meccanismo di interferenza2.1 Interferenza del loop di GroundInterferenza del loop di GroundInterferenza del loop di Ground è un fenomeno di interferenza relativamente comune che si verifica spesso tra i dispositivi che sono collegati da cavi lunghi e sono distanti. La ragione principale dell'interferenza elettromagnetica causata dal filo di terra è l'impedenza del filo di terra. Quando la corrente scorre attraverso il filo di terra, verrà generata una tensione sul filo di terra, che è il rumore del filo di terra. Guidato da questa tensione, verrà generata una corrente di loop di terra, con conseguente interferenza del loop di terra. Interferenza del circuito di terra: a causa dei diversi potenziali di terra dei due dispositivi, si forma una tensione di terra. Spinta da questa tensione, la corrente scorre tra il loop formato da "dispositivo 1, cavo di interconnessione, dispositivo 2 e terra". A causa dello squilibrio del circuito, la corrente su ogni cavo è diversa, quindi verrà generata una tensione di modo differenziale, che interferirà con il circuito. Poiché l'interferenza del loop di terra è causata dalla corrente del loop di terra, a volte si scopre che quando il filo di terra di un dispositivo è scollegato, il fenomeno di interferenza scompare, perché il loop di terra viene tagliato quando il filo di terra è scollegato. Questo fenomeno si verifica spesso in occasione di interferenze a bassa frequenza. Quando la frequenza di interferenza è alta, non importa se il cavo di massa è scollegato o meno.2.2 Interferenza di impedenzaNei circuiti digitali, a causa dell'alta frequenza del segnale, il cavo di massa presenta spesso una grande impedenza. In questo momento, quando più circuiti condividono una sezione di filo di terra, a causa dell'impedenza del filo di terra, il potenziale di massa di un circuito sarà modulato dalla corrente di funzionamento dell'altro circuito, in modo che il segnale in un circuito sarà accoppiato in un altro circuito, questo accoppiamento è chiamato accoppiamento di impedenza comune. Il metodo per risolvere l'accoppiamento di impedenza comune è quello di ridurre l'impedenza del filo di terra comune o utilizzare la messa a terra a punto singolo per eliminare completamente l'impedenza comune, che è una sorta di fenomeno di interferenza. La figura 2 è un circuito semplice con quattro cancelli. Assumendo che il livello di uscita del cancello 1 cambi da alto a basso, la capacità parassita nel circuito (a volte c'è un condensatore filtro all'ingresso del cancello 2) scaricherà al filo di terra attraverso il cancello 1. A causa dell'impedenza del filo di terra, la corrente di scarica sarà Una tensione di picco viene generata sulla linea di terra. Se l'uscita del cancello 3 è bassa in questo momento, la tensione di picco sarà trasmessa al terminale di uscita del cancello 3 e al terminale di ingresso del cancello 4. Se l'ampiezza di questa tensione di picco supera il rumore della soglia del cancello 4, causerà il malfunzionamento della porta 4.2.3 Interferenza di accoppiamento elettromagnetico loop di GroundThe "loop di terra" circonderà una certa area. Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, se c'è un campo magnetico mutevole nell'area circondata dal loop, una corrente indotta sarà generata nel loop, causando interferenze. I cambiamenti del campo magnetico spaziale sono ovunque, quindi più grande è l'area chiusa, più grave è l'interferenza.3. Metodi per risolvere l'interferenza del filo di terra 3.1 Risolvere l'interferenza del ciclo di terra Ci sono tre idee di base per risolvere l'interferenza del ciclo di terra: uno è quello di ridurre l'impedenza del filo di terra, riducendo così la tensione di interferenza, ma questo non ha alcun effetto sull'interferenza del ciclo di terra causata dalla seconda ragione. Il secondo metodo è quello di cambiare la struttura di messa a terra, collegare il filo di terra di un telaio a un altro telaio e terra attraverso l'altro telaio, che è il concetto di messa a terra a punto singolo. Il terzo è quello di aumentare l'impedenza del ciclo di terra, riducendo così la corrente del ciclo di terra. Quando l'impedenza è infinita, il loop di terra viene effettivamente tagliato, cioè il loop di terra viene eliminato. Pertanto, vengono proposte le seguenti soluzioni per risolvere l'interferenza del loop di terra.1) Galleggiare il dispositivo su un lato Se un lato del circuito è lasciato galleggiare, il loop di terra viene tagliato, eliminando così la corrente del loop di terra. Ma ci sono due questioni che richiedono attenzione. Uno è che per motivi di sicurezza, il circuito non è permesso galleggiare. In questo caso, considerare la messa a terra del dispositivo attraverso un induttore. In questo modo, l'impedenza di messa a terra dell'apparecchiatura di corrente CA 50 Hz è molto piccola e per il segnale di interferenza con una frequenza più elevata, l'impedenza di messa a terra dell'apparecchiatura è grande, il che riduce la corrente del loop 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 capacità parassitaria tra il dispositivo e il terreno. Questa capacità fornisce un'impedenza inferiore alle frequenze più elevate e quindi non riduce efficacemente la corrente del ciclo di terra ad alta frequenza.2) Utilizzare un trasformatorIl metodo di base per risolvere l'interferenza del ciclo di terra è quello di tagliare il ciclo di terra. A questo scopo viene utilizzato un trasformatore di isolamento e la trasmissione del segnale tra i due dispositivi viene effettuata tramite accoppiamento a campo magnetico, evitando il collegamento elettrico diretto. In questo momento, la tensione di interferenza sul filo di terra appare tra gli stadi primari e secondari del trasformatore, non all'estremità di ingresso del circuito. Un modo per migliorare l'effetto di isolamento ad alta frequenza del trasformatore è quello di impostare uno strato di schermatura tra gli stadi primari e secondari del trasformatore. Tuttavia, va notato che l'estremità di messa a terra dello strato di schermatura del trasformatore di isolamento deve essere all'estremità ricevente del circuito. Altrimenti, non solo non riuscirà a migliorare l'effetto di isolamento ad alta frequenza, ma renderà anche l'accoppiamento ad alta frequenza più serio. Pertanto, il trasformatore deve essere installato sul lato del dispositivo di ricezione del segnale. Il metodo di isolamento del trasformatore ha alcuni svantaggi, ca