目次
シグナルグランド設計
今日は回路設計における接地の問題について説明します。
電気システムにおける接地には、安全接地と信号接地の 2 つの概念があり、前者は一般に強電機器で使用され、人が感電するのを防ぐために外殻が接地されます。後者は信号接地です。回路内の信号の戻り経路。ここでは主に信号接地について説明しますが、安全接地については別の特別なトピックを書きます。
1. グランドループ領域を減らす
まず、電流ループの概念について説明します。
以下の図を参照してください。プリント基板の最上層に回路があり、ソースが信号を送信し、負荷がワイヤを介して接続され、グランドプレーンがプリント基板の最下層にあると仮定します。そして回路はビア A と B を介して最下層のグランド プレーンに接続されます。
信号の電流 I は、ソース端子から B を通ってグランドに流れ、グランド プレーンから A を経て負荷に流れ、最後にソースのマイナス端子に戻ります。電流が流れる経路は完全なループです。本質的には、電気が流れる円形の経路です。
私たちは電磁誘導の現象を理解しています。変化する磁場がトロイダル コイルで囲まれた領域を通過すると、コイル内に電流が誘導されます。周囲の回路が動作している場合、電界と磁界の変化は避けられず、ループ内に誘導される電流は有害な干渉となります。したがって、回路のループ面積をできるだけ減らすことで、この部分の干渉を減らすことができます。
低周波回路では、次の図に示すように、電流は抵抗が最も小さい経路に沿って流れます。
したがって、ループ全体で囲まれる面積をできるだけ小さくして配線すればよい（ビアホールの位置を移動させたり、最上層のデバイスの位置を移動させて配線長を短くしたりすることもできる）。痕跡）。
高周波では状況は異なります。下の図に示すように、電流は最上層ワイヤの真向かいにある隣接層の経路である最小インダクタンスの経路に沿って流れます。
このとき、グランドプレーンが信号層に隣接していて完全であれば、それがループの最小面積となります。私たちがしなければならないことは、流れの経路上の地層を遮断しないことです。
2. 一点接地と多点接地
理想的なグランドプレーンは、どこでも等しい電位を持ち、インピーダンスがない良好な導体であることがわかっています。しかし、実際には抵抗とリアクタンスがあります。回路内の電流が大きくなると、抵抗によって大きな電圧降下が発生し、各接地点のレベルが異なります。回路内の信号の周波数が高くなると、接地面としての導体の影響がより顕著になります。インダクタンス効果が大きくなり、誘導抵抗が大きくなります。これにより、接地設計の最初の質問、つまり単一点接地と多点接地が導き出されます。
一点接地と多点接地の形態を次の図に示します。
図からわかるように、多点接地は各回路ユニットが直接グランドプレーンに接続されることを意味し、一方、一点接地は、各回路ユニットのグランドが最初に相互接続されてからグランドプレーンに接続されることを意味します。ワンポイントを通して。では、一点接地と多点接地の違いは何で、どこで使用されるのでしょうか?
アース線もワイヤであり、直列の抵抗とインダクタンスの形式と等価であることがわかります。
信号の周波数が高くなるほど、インダクタンスLによって生成される誘導リアクタンスは大きくなります。線路の長さが1/4波長の奇数倍になると、より深刻なアンテナ効果が形成され、接地インピーダンスが非常に高くなります。 。したがって、この場合、回路のグランドをグランドプレーンに接続するには（グランド線が短いほど等価Lが小さくなります）、多点接地を使用するのが適しています。信号周波数が 100kHz を超える場合、またはデジタル回路が関与する場合、グランドのインピーダンスを最小限に抑えるために、回路モジュールを近くで接地することをお勧めします。アース線の長さは一般的に 1/20 波長未満です。
低周波信号回路では、グランドループを減らすために、一点接地を使用することをお勧めします。
回路内に高周波と低周波が混在する場合、混合接地が可能です。下図は、低周波回路を電線で接地し、高周波回路の信号を接地します。近くのコンデンサを介してグランドに接続できます。
3. グランド上のインピーダンス結合
直列形式の一点接地システムでは、次の図に示すように、インピーダンス結合の問題が発生する可能性があります。
３つの回路１、２、３は直列一点接地されており、接地線の各部の抵抗値はＲ１、Ｒ２、Ｒ３となる。
このとき、A点の電位は Va=(I1+I2+I3)*R1 となります。
また、C 点の電位は Vc=Va+(I2+I3)*R2 + I3*R3 となります。
A 点と C 点の電位が異なることがわかります。つまり、このシステムでは、各回路の実際の接地点の電位が異なることがわかります。
また、回路 3 の接地点の電位が回路 1 の影響を受けること、つまり回路の接地点の電位が他の回路の影響を受けることも簡単にわかります。この問題は、接続方法を変更し、並列一点接地方式に置き換えることで解決できます。これにより、この回路に対する他の回路の潜在的な影響を排除できます。
共通インピーダンス結合の別の例を次の図に示します。共通のグランド ラインがある場合、負荷 RL1 と負荷 RL2 の信号は別個の VS1 または VS2 ではなくなり、インピーダンスによって生成されることが簡単にわかります。共通グランドラインのZg カップリング：
この結合は、接地インピーダンスを最小限に抑えることで解決する必要があります。
4. グランドループの影響を軽減する
グランド ループの概念を次の図に示します。
信号を伝送するために遠く離れた 2 つのシステムがあり、その 2 つのシステムが近くでグランドに接続され、内部回路がフローティングに設計されていないと仮定すると、システムのグランドと信号線は大きなループを形成します。
このシステムにはさまざまな干渉源が存在する可能性があります。2 つの接地点の異なる電位によって生成される電圧差 VG は、周囲の電気機器が動作しているときに地面の電流変化に応じて変化する可能性があります。接地ループは、次のような要因によって簡単に妨害されます。外部の変化する磁場、低周波数の信号には複数のリターンパスがあります...
このとき、両系統は離れているため、接地インピーダンスを下げる方法は適しておらず、信号が高周波信号である場合には、一点接地では解決できません。現時点では、いくつかの解決策があります。
A)送信信号を絶縁するためにフォトカプラとトランスが使用され、グランド ループが遮断されます。
B)コモンモードチョークコイルは伝送路上に直列に使用されており、コモンモードチョークコイルはディファレンシャルモード信号には影響を与えないため、コモンモード信号のみを絶縁し、グランドから発生するコモンモード妨害を除去することができます。ループ;
C)差動伝送を使用すると、受信側は差動信号のみを認識し、コモンモード信号を抑制します。
元のリンク: https://blog.csdn.net/little_grapes/article/details/129253222