Der Fluch der Masseschleife

Manchmal fühlt es sich so an, als wäre eine Masseschleife unvermeidlich. Bitte folgen Sie dem folgenden Gedankenexperiment. Es wäre wunderbar, wenn Sie Lösungen für das beschriebene Problem bereitstellen könnten.

Stellen Sie sich ein Board vor, auf dem man keine Masseebene verwenden kann. Es gibt einige Chips auf dem Board:

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Ein digitales oder analoges Signal fließt von Chip 2 zu Chip 3. Angenommen, die Leiterbahn kann nicht direkt zum anderen Chip führen, sondern muss um einige andere Schaltungen auf der Platine gebogen werden.

Betrachten Sie nun den Stromfluss, wenn sich das Signal von Chip 2 nach Chip 3 bewegt:  
 

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Das sieht schlecht aus. Die vom Stromfluss umschlossene Oberfläche ist sehr groß. Wenn es sich um ein digitales Signal handelt, wird es sicherlich viel Rauschen in die auf diese Oberfläche gelötete Schaltung einspeisen. Und wenn es sich um ein analoges Signal handelt, absorbiert es wahrscheinlich Rauschen von der Schaltung auf dieser Oberfläche.

Ich versuche, schlau zu sein, und komme auf die folgende Lösung. Lassen Sie uns einen Rückweg für das Signal hinzufügen:  
 

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Hurra, es sieht so aus, als ob das Signal jetzt sehr gut geschützt ist. Die umschlossene Oberfläche ist viel kleiner. Es gibt keine Magnetfelder ab und absorbiert sie auch nicht.

Aber warte mal... siehst du das? Siehst du die Masseschleife, die ich gerade erstellt habe? Schau nochmal:  

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Huch! Was jetzt? Habe ich die Situation nur verbessert oder sogar verschlechtert?

Bitte helfen...

Bleiben Sie beim ursprünglichen Layout, leiten Sie das Signal einfach parallel zur Masse um. Es ist immer möglich, künstliche Situationen zu schaffen, die schlechte Lösungen erfordern.
Diese Situation ist nicht nur künstlich, sondern basiert auf realen Situationen. Manchmal können Sie keine Grundebene haben. Manchmal können Sie das Signal nicht "parallel zum Boden umleiten", weil Dinge im Weg sind (Dinge, die vielleicht selbst nahe am Boden sein müssen). In vielen Fällen hat man nicht genug Platz auf dem Brett, um alles ideal zu machen, dann kann die oben beschriebene Situation Realität werden...
Wenn ein Signal eine Route überquert, können Sie den Bodenpfad immer über dieselbe Route führen, es sei denn, Ihr Board hat nicht genügend physischen Platz. Im letzteren Fall benötigen Sie ein Board mit mehr Platz oder mehr Schichten. Die Art und Weise, wie wir im Allgemeinen vermeiden, versehentlich in diese Situation zu geraten, besteht darin, zuerst alle kritischen Pfade zu platzieren, hin und zurück, und dann das Brett mit anderem Zeug zu überladen. Das zu frühe Ausgehen des Routing-Speicherplatzes ist eine Wahl. Ihre Antwort ist, dass das Signal von C2 nach Norden und dann nach Osten zu C3 gehen sollte, genauso wie der Boden verläuft.
Löst eine zusätzliche Schicht mit fester Grundplatte all dies tatsächlich?

Antworten (1)

Das erste verwendet ein sternförmiges Erdungsschema, das unter bestimmten Umständen gut funktioniert: niedrige Frequenzen, keine eingehenden EMI/RFI ... was bedeutet, dass es in der heutigen Welt ein immer weniger nützliches Schema ist ...

Bevor ich jedoch über die Schleife spreche, möchte ich darauf hinweisen, dass Ihr Design eine Einzelversorgung ist, dh Chips ziehen Versorgungsstrom und leiten ihn in den Boden. Die Verwendung langer Spuren für GND bedeutet in diesem Fall, dass dieser Strom eine Spannung gegen die GND-Impedanz erzeugt. Da GND als Spannungsreferenz verwendet wird, haben Ihre Chips unterschiedliche Bezugspotentiale.

Wenn es sich um Single-Supply-Opamps handelt, verarbeiten sie dies als Signal. Wenn es sich um Logikchips handelt, kann Masseprellen Logikpegel beschädigen.

In beiden Fällen ist eine niedrige Erdimpedanz von Vorteil, d.h. Grundebene. Ohne eine Masseebene können Sie horizontal auf den Topplayer und vertikal auf die untere Ebene routen und ein Versorgungs-/Erdungsgitter erstellen, das in den Tagen der riesigen Platinen voller TTL-Chips beliebt war.

Beachten Sie, dass, wenn Ihre Chips +/- 15-V-Operationsverstärker sind, Strom in die Versorgungen fließt, diese jedoch nicht mit Masse verbunden sind (außer über Entkopplungskappen), sodass in diesem Fall der schwankende Versorgungsstrom bei der Entkopplung nur zusätzliches Rauschen auf GND verursacht Kappen sind schlecht platziert/geroutet.

Nun zurück zu deiner Frage:

Dafür gibt es keine richtige Lösung. Zu Zeiten einseitiger analoger Platinen (denken Sie an einen Videorecorder oder ein Kassettendeck) wurden sie normalerweise in einem metallischen Gehäuse untergebracht, das als Abschirmung diente, und es gab keine Mobiltelefone. Heutige HiFi-Geräte (zum Beispiel) haben normalerweise eine gewisse Abschirmung. Wenn die Frontplatte aus Kunststoff besteht, können Sie ein wenig leitfähige Sprühfarbe erwarten, um gegen eingehende EMI abzuschirmen.

Außerdem wurden diese riesigen TTL-Logikplatinen vor den modernen Richtlinien zur elektromagnetischen Verträglichkeit entwickelt, und die Frequenzen waren niedrig.

Trotzdem. Wenn die Signale schnell sind, müssen sie in der Nähe des Masserückstrompfads geführt werden, oder es wird eine Rahmenantenne gebildet, die sowohl sendet als auch empfängt, außerdem wird die zusätzliche Induktivität das Signal selbst verfälschen.

Wenn es sich also um Logikchips handelt, wäre das letzte Layout in Ihrem Beitrag vorzuziehen. Tatsächlich wäre die "Masseschleife" eine Zelle in einer Oldskool-Platine "Grid Ground / Supply".

Beachten Sie, dass die Masseschleife eine kurzgeschlossene Windung ist, daher müsste die eingehende HF ziemlich stark sein, um eine ausreichend hohe Spannung zu induzieren, um die Logikpegel zu beschädigen. Das Hauptproblem wäre, dass es irgendwo im Spektrum eine Resonanzfrequenz hätte ...

Nun, speziell zum Thema Audio-Erdung kann ich diesen Artikel von Bruno „The Man“ Putzeys nur empfehlen . Gilt auch für andere analoge Anwendungen. Es ist auch eine lustige Lektüre.

Sehr interessant! Sie sagen: „Wenn es sich also um Logikchips handelt, wäre das letzte Layout in Ihrem Beitrag vorzuziehen. Was meinst du damit? Würden sich Ihre Schlussfolgerungen ändern, wenn es sich bei den Chips um analoge anstelle von Logikchips handelt?
ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf sehen Sie sich die Seiten zum Thema "Gridding" an. Für Analog müssten Sie prüfen, ob der in den Erdungsspuren fließende Versorgungsstrom abhängig von der tolerierbaren Genauigkeit / dem Offset / der Verzerrung usw. von Bedeutung ist. Verwenden Sie möglicherweise Differenzverstärker usw., dies hängt stark von der Anwendung ab. Lesematerial : hypex.nl/img/upload/doc/an_wp/WP_The_G_word.pdf
Ich möchte anmerken, dass eine Brummschleife, abgesehen von der möglichen Resonanz, überhaupt kein Problem darstellt. Normalerweise interessiert Sie die Spannung, die sich über einem Erdleiter entwickelt, und das Hinzufügen weiterer Pfade wird dies kaum verschlimmern. Im Grenzfall ergibt diese Beobachtung die Grundebene. Bei analogen Dingen sollten Sie normalerweise vorsichtig sein, wo Sie auf Dinge verweisen, was ein etwas anderes Problem darstellt, insbesondere wenn Sie feststellen, dass ein Operationsverstärker mindestens ein Gerät mit 5 Anschlüssen und kein Gerät mit drei Anschlüssen ist (denken Sie an eine Ausgangsstufe der Klasse AB und wo die Ströme in jedem Quadranten fließen).
Ja, der letzte Satz ist der Grund, warum ich "richtig geroutete Entkopplungskappen" erwähnt habe: Beide GND-Pins der Kappen sollten an derselben Stelle mit der Masseebene verbunden sein, sodass sich nichtlineare Klasse-AB-Ströme, die durch die Kappen fließen, gut zu einer linearen Nachbildung des tatsächlichen summieren Ausgangsstrom des Operationsverstärkers, der dann in GND eingespeist wird. Keine Notwendigkeit, verzerrte Ströme in GND einzuspeisen, wenn alles, was es kostet, dies zu vermeiden, beide Kappen auf die gleiche Seite des Operationsverstärkers und ein bisschen Spur gesetzt wird;)
@peufeu, was meinst du mit "nichtlineare Ströme der Klasse AB, die durch die Kappen gehen, summieren sich gut zu einer linearen Nachbildung des tatsächlichen Ausgangsstroms des Operationsverstärkers, der dann in GND eingespeist wird". Können Sie das näher erläutern, vielleicht mit einer Zeichnung? Ich danke dir sehr :-)
@DanMills , wow, deine Aussage "Ich würde anmerken, dass eine Masseschleife abgesehen von der möglichen Resonanz überhaupt kein Problem darstellt" klingt etwas kontrovers. Bist du dir sicher?
Ja! Machen Sie die Schleifen klein (und haben Sie viele davon), und Sie minimieren die Impedanz zwischen zwei beliebigen Punkten im Netz, die Ihnen wichtig sind, und minimieren so die zwischen diesen Punkten entwickelten Spannungen. Die einzigen Leute, die Erdschleifen schwitzen, sind Audiotypen, die symmetrische Verbindungen oder hierarchische Erdungen verwenden sollten, und Typen in der Nähe von DC-Instrumenten, die wiederum Erdung und Referenz trennen sollten ... Beachten Sie, dass dies innerhalb eines Geräts gilt, externe Schnittstellen haben andere Probleme.
Stellen Sie sich einen Operationsverstärker vor, der Strom in eine Last einspeist, Strom fließt von der positiven Schiene über den Operationsverstärker zur Last, dann zurück über das Erdungsnetzwerk zur Entkopplungskappe des Operationsverstärkers und zurück zur positiven Schiene ... Dieser Strom fließt jedoch nur während des Operationsverstärkers Strom liefert, wenn der Operationsverstärker Strom senkt, umfasst der Pfad die negative Schiene und die Entkopplungskappe. Der Signalstrom wechselt abhängig vom Lastquadranten des Operationsverstärkers von der positiven zur negativen Schiene. Indem Sie die beiden Entkopplungskappen miteinander verbinden und diesen Punkt dann auf die Erde bringen, vermeiden Sie diese Schaltströme in der Erde.
„Die einzigen Leute, die Masseschleifen schwitzen, sind Audiotypen, die eine symmetrische Verbindung verwenden sollten.“ Absolut! Es gibt immer Erdschleifen, daher ist es am besten, ein Design zu verwenden, das nicht auseinanderfällt, wenn Erdschleifen vorhanden sind. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Signalreferenz.
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