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.
GND, Земля, Масса, Заземление и Шасси в электротехнике
Всем знакомы термины: «разность потенциалов» между узлами схемы или между точками в цепи, «напряжение на радиоэлементе», «напряжение или потенциал в данной точке схемы». Все эти термины хотя и кажутся разными, на самом деле сводятся к одному и тому же вопросу. Между двумя точками всегда есть электрическое напряжение — мы не можем говорить о напряжении в одной точке. Даже если описываем состояние схемы или цепи, то всегда используем две точки. То есть когда говорим о напряжении в какой-либо точке схемы, фактически говорим о напряжении между этой точкой и определенной частью электросхемы, взятой в качестве точки отсчета. Именно этот узел, относительно которого считаем потенциал, является так называемой массой.
Конечно также можем измерить напряжение в цепи между определенными точками, ни одна из которых не является массой. Тогда говорим о напряжении между двумя точками схемы и конкретно указываем, какие места в цепи затрагиваются. Помните, что напряжение между двумя точками в схеме есть не что иное, как разность потенциалов между ними.
Иногда называют падением напряжения. Чаще всего используем этот термин, когда говорим о напряжении на резисторе, через которое протекает ток. Как известно из закона Ома, что напряжение на резисторе прямо пропорционально его электрическому сопротивлению и току, протекающему через него. Поэтому, когда говорим о падении напряжения на резисторе, имеем в виду напряжение, измеренное между одним концом радиоэлемента и другим.
Как видите, можно определить одну и ту же электрическую величину тремя способами: падение напряжения, разность потенциалов и просто напряжение. Это разнообразие может сбивать с толку, поэтому следует сразу привыкнуть ко всем этим терминам.
Несколько слов о массе
Откуда произошло название "масса"? Старые электронные схемы собирались без использования печатных плат. Все элементы монтировались на общем металлическом каркасе или пластине. Отчасти именно из этой — теперь уже исторической — пластины и ее довольно больших размеров (большой массы) и возникло понятие, которое ещё иногда упоминается как шасси. На схемах также используется сокращение GND (земля, Ground) — по этой причине понятие массы часто путают с понятием заземления.
В течение многих лет наблюдали в электронных устройствах косвенное гальваническое (электрическое) соединение земли с "реальной" землей схемы. Поэтому обратите внимание на один важный момент: в подавляющем большинстве электронных устройств, встречающихся сегодня, заземление не будет таким же, как масса. Масса электронной схемы, например отрицательный полюс источника питания, аккумулятора или батарейки, чаще всего не связана с корпусом устройства. Так как различать понятия «земля» и «масса», чтобы они не вызывали путаницы?
В электронных устройствах с которыми имеем дело ежедневно, масса чаще всего связана с отрицательным полюсом источника питания, батареи или аккумулятора. Поэтому когда рассматриваем потенциал, преобладающий в данной точке цепи, то действительно имеем в виду напряжение измеренное между этой точкой и точкой заземления, то есть отрицательным полюсом источника питания.
Можно легко запомнить это следующим образом: подключите красный провод мультиметра (вольтметра) к точке где хотите измерить напряжение, и подключите черный провод к земле схемы. В настоящее время трудно найти схемы, в которых земля не подключена напрямую к отрицательному полюсу источника питания.
Следует подчеркнуть, что построение схемы может быть более сложным. Не всегда в устройстве только одно напряжение питания. Помимо схем с несколькими напряжениями — например 12 В, 5 В и 3,3 В — во многих источниках питания (в эту группу также входят компьютерные блоки питания ATX) существуют дополнительные отрицательные напряжения на землю. Что это значит? Можем представить такое решение как последовательное соединение двух источников напряжения, например, батареи, где точка заземления (контрольная точка) — это место, где эти две батареи соединяются.
В этой конфигурации свободный полюс одной из батарей будет подавать положительное напряжение, а свободный полюс другой будет подавать отрицательное. Если оба источника имеют одинаковое значение напряжения, говорим о так называемом симметричном питании. Особенно часто оно используется в аналоговых схемах, например, усилителях или некоторых измерителях.
Тенденция, которая присутствует в электронике в течение многих лет, указывает на то что схемы, требующие симметричного питания, постепенно уходят в прошлое. Это связано с тем, что проектирование электронных схем использующих только одно напряжение питания, намного проще, поскольку это снижает не только сложность, но также затраты. У этого решения конечно есть недостатки, но здесь не будем вдаваться в подробности. Единственное, что надо помнить в этом разделе это то, что цепи могут питаться симметричным или асимметричным напряжением, а опорный потенциал, с которым связаны все измерения напряжения в схеме, является потенциалом земли. Масса (земля) — понятие условное, но чаще всего это то же самое, что отрицательный полюс питающего напряжения или точка разделения симметричных напряжений.
Заземление и земля
Наверняка вы часто сталкиваетесь с концепцией заземления. В старину основная масса схемы была построена в виде металлического каркаса или пластины, которая в то же время была конструктивным элементом поддерживающим все устройство и его элементы. Но сегодня часто имеем дело с несколько другим подходом — отрицательный полюс источника питания, то есть заземление схемы, должен быть полностью отдельным узлом, не связанным с металлическим корпусом устройства или заземляющим контактом. Штырь этот в электрических розетках служит защитой от поражения током в случае, например, повреждения изоляции.
Такое решение бывает в лабораторных источниках питания, которые имеют три клеммы. Красная клемма — это положительный полюс источника питания. Черная клемма — отрицательный полюс, который в большинстве случаев приравнивается к заземлению схемы, подключенной к БП. Третья клемма обычно зеленая. Это фактическое заземление, электрически связанное с корпусом, заземляющий провод и соответствующий контакт на сетевой вилке. Такое решение приобретает все большее значение не только по соображениям безопасности, но и благодаря своим превосходным противоинтерференционным свойствам.
Конечно, связи между землей схемы и реальной землей иногда могут иметь различную форму, но не будем вдаваться в подробности обо всех возможных вариантах. Существует множество возможностей, и каждая из них должна быть тщательно продумана конструктором, чтобы избежать как ошибок в дизайне, так и опасностей, которые могут привести к поражению пользователя электрическим током в случае неправильного использования устройства или неполадки. Поэтому начинающим электронщикам не следует пытаться самостоятельно создавать устройства с питанием от сети.
Современные источники питания подключаемые к розетке или лабораторные источники питания, защищены таким образом, что даже в случае внутреннего повреждения БП обеспечивает пользователя надлежащей защитой. Поэтому если планируете собирать устройство с питанием от электросети 220 В, обязательно выберите качественный фирменный блок питания, который позволит спокойно работать, не беспокоясь о своей безопасности или безопасности других пользователей устройства. Не стоит экономить несколько рублей на покупке дешевого блока питания от неизвестного источника — безопасность — это главное, а цены на фирменные блоки питания больше не являются препятствием даже для начинающих энтузиастов электроники.
Кстати, международные стандарты требуют чтобы заземляющий провод в электрооборудовании имел желто-зеленую изоляцию. Поэтому в трехжильных силовых кабелях можно встретить провода с изоляцией «классического» цвета: коричневый (фаза), синий (нейтраль) и желто-зеленый (земля). Не рекомендуем использовать провода этих цветов для других соединений (даже низковольтных) в конструируемых устройствах — упомянутый набор цветов всегда должен четко соответствовать фактическому назначению кабелей.
Разметка земли и заземления на схеме
Если вы знакомы со схемами электронных устройств, то обязательно встретите различные типы маркировки линий электропитания. В случае с массой наиболее часто используемая маркировка — это жирная короткая линия, оканчивающая провод. Всегда рисуют эту линию горизонтально, благодаря чему маркировка масс бросается в глаза, и сразу видно какие элементы связаны друг с другом. Конечно все элементы отмеченные (связанные) с массовым символом, физически связаны друг с другом.
На схемах: 1 заземление, масса; 2 защитное заземление; 3 и 4 соединение с корпусом или шасси (массой)
Очень важно отличать заземление от массы, которое, как упоминалось ранее, обычно представляет собой полностью отдельную цепь. Заземление часто обозначается тремя линиями меньшей длины, электрическая линия подключается к самой длинной из этих черточек. На многих схемах также есть второй символ заземления, то есть одна горизонтальная линия с тремя короткими диагональными линиями, прикрепленными к ней. Конечно на схемах есть и другие обозначения линий электропитания. Чаще всего это будут, например, короткие стрелки с напряжением, преобладающим в этой цепи (например, + 5 В, -5 В, +12 В и так далее).
Если взять готовую печатную плату, например с компьютера, усилителя или даже мобильного телефона, можно заметить что помимо дорожек, соединяющих отдельные выводы элементов, видно еще одно большое медное поле. Конечно в подавляющем большинстве промышленных плат это поле, как и остальная часть платы, покрыто лаком зеленого или синего цвета. Но если внимательно посмотрите на печатную плату заметите, что промежутки между дорожками и элементами образуют одно большое общее соединение. Эта комбинация в подавляющем большинстве случаев и составляет массу схемы!
Конечно есть исключения, например в специализированных схемах, где таких полей меди (полигоны) может быть больше: один из них может быть подключен к земле, а другой — к питающему напряжению, например выходу импульсного преобразователя. Такие «многоугольники» особенно популярны из-за их хороших шумоподавляющих свойств.
Если же вся печатная плата, за исключением дорожек и мест предназначенных для пайки контактных площадок, покрыта сплошным полем заземления, то можем быть уверены что это заземление будет представлять собой очень хороший экран, защищающий схему от электромагнитных помех.
Еще раз подчеркнем, что не всякое медное поле связано с землей! Поэтому при проведении измерений или при ремонте готовых схем надо убедиться, что массовое поле действительно земля.
Думаем теперь вы поняли основные понятия массы и различия между — часто двусмысленными и сбивающими с толку — именами, используемыми как в электротехнике, так и радиоэлектронике. Мы обсудили разницу между массой, землей и заземлением, и теперь дело за вами — применить эту информацию на практике!
Тестирование, схема и разборка мини паяльной станции из Китая KSGER STM32 V3.1S OLED T12.
Теория и практика применения суперконденсаторов в различных системах беспроводной связи IoT.
Обзор китайского устройства для электролиза воды — фото, видео, описание работы.
Обзор электромагнитного пистолета из китайского набора для самостоятельной сборки.
Как сделать землю на плате
При разработке любого как цифрового, так и аналогового устройства необходимо уделить серьёзное внимание цепям заземления. Необходимо учесть расположение земляных полигонов на самой ранней стадии разработки.
Разделение земель на аналоговую и цифровую части – это одно из самых известных правил при проектировании аналогово-цифровых устройств. То есть земляные полигоны для цифровой части должны быть отделены от земляных полигонов для аналоговой части устройства. Это объясняется тем, что обратные цифровые токи не должны протекать по земляным цепям аналоговых устройств и наоборот. В противном случае возникают нежелательные взаимные помехи в земляных цепях, что отражается на работе устройства в целом.
Цепи аналоговой и цифровой земли стоит рассматривать как независимые цепи вплоть до источника питания, в источнике питания эти цепи должны быть объединены. Подобная «земляная» архитектура относится к простым аналого-цифровым устройствам с рабочими частотами не более 10 МГц. При трассировке более высокочастотных устройств архитектура разделения земель остаётся прежней, но необходимо также объединять земельные цепи и на самой плате. ВНИМАНИЕ! Автор подразумевает не использование единого аналого-цифрового полигона земли, а применение объединения цепей аналоговой и цифровой под такими интегрированными устройствами как, например: АЦП, Кодеки и так далее. Обсуждение трассировки ПП с объединенными полигонами земли на плате рассмотрено ниже.
Другие правила при трассировки GNDA и GNDD:
— аналоговые шины питания должны находиться под аналоговой землёй и наоборот;
— располагайте аналоговые сигнальные цепи над аналоговой землёй, а цифровые сигнальные цепи над цифровой землёй (рис. 1);
— Как уже отмечалось, разделенные земли должны быть объединены в одном низкоимпедансном узле (рис.2). Так как правильная с точки зрения земли система имеет только одну землю, которая является выводом заземления систем питания сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем питания от постоянного напряжения (например, аккумулятор). Все земляные обратные токи должны приходить в эту точку. Такой точкой может послужить вывод корпуса устройства. Важно понимать, что при подсоединении общего вывода устройств в единую точку заземления могут образовываться земляные контуры.
— Используйте по возможности отдельные, независимые разъемы, предназначенные для передачи возвратных токов. Старение контактов, износ при частой расстыковки разъемов приведет к ухудшению работы устройства в целом.
— При компоновке печатной платы, располагайте корпуса таким образом, чтобы отделить аналоговую и цифровую части. Это поможет избежать многих проблем (рис. 3).
Практически все тактовые сигналы являются достаточно высокочастотными, поэтому наличие даже небольшой емкостной связью между трассами может вызвать значительную взаимосвязь. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота способна вызвать неблагоприятное влияние на соседние цепи, но и её высшие гармоники. Для борьбы с взаимным влиянием устройств на плате необходимо компактное расположение с целью минимизации соединительных проводников. Так же одной из распространенных ошибок при трассировки аналоговой части печатных плат, является использование соединительных дорожек шире 1 мм с целью уменьшить сопротивление печатных проводников. Но в подобных случаях получается протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов.
На рисунке 4 приведен пример удачного расположения компонентов на плате. Используется три отдельных полигона питания и земли: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Все цепи земли объединяются лишь только в источнике питания. В приведенной топологии высокочастотный шум отфильтровывается в цепях питания.
Бывают так же случаи, когда необходимо объединить аналоговые и цифровые сигналы над областью аналогового земляного полигона. Это обуславливается тем, что АЦП и ЦАП производятся с двумя цепями заземления. То есть цифровой вывод заземления необходимо соединить с цифровой землёй и наоборот. Однако в данном случае это не так. Так ка название выводов «GNDD» и «GNDA» относится к внутренней структуре микросхемы. В схеме эти выводы должны быть подключены к полигонам аналоговой земли. В противном случае заявленные рабочие параметры микросхемы преобразователей будут заметно ухудшены.
При трассировке печатной платы с АЦП и ЦАП необходимо серьёзно отнестись к развязывающим цепям цифрового питания микросхем на аналоговую землю.