Umgang mit Erdung im Hochfrequenzdesign

Bei Hochfrequenzdesigns muss die Frage der Erdung berücksichtigt werden. Im Zusammenhang mit der Erdung müssen mehrere Aspekte berücksichtigt werden. Dazu gehören die Impedanz von Erdungsleitern und Erdungsverbindungen, der Gleichstrompfad, der niederfrequente Signale dominiert, und die Ein-Punkt-Erdung.

Impedanz von Erdungsleitern

Die Erdungselektrode eines typischen geerdeten elektrischen Systems ist parallel zu den Erdungsstäben auf der Leitungsseite des Netzes, der Transformatoren und der Masten angeordnet. Der zu prüfende Stab ist mit der Erdungselektrode verbunden. Der Ersatzwiderstand der netzseitigen Erdungsstangen ist vernachlässigbar.

Eine Ein-Punkt-Erdungsmethode ist für Frequenzen unter einem MHz akzeptabel, aber für hohe Frequenzen weniger wünschenswert. Eine Ein-Punkt-Erdungsleitung erhöht die Erdungsimpedanz aufgrund der Drahtinduktivität und der Leitungskapazität, während Streukapazitäten zu unbeabsichtigten Erdungsrückleitungen führen. Für Hochfrequenzschaltungen ist eine Mehrpunkt-Erdung erforderlich. Bei dieser Methode entstehen jedoch Erdungsschleifen, die anfällig für Magnetfeldinduktion sind. Daher ist es wichtig, hybride Erdungsschleifen zu vermeiden, insbesondere wenn die Schaltung empfindliche Komponenten enthält.

Erdungsrauschen kann in Hochfrequenzschaltungen ein großes Problem darstellen, vor allem, wenn die Schaltungen große schwankende Ströme aus der Versorgung beziehen. Dieser Strom fließt in der gemeinsamen Masse-Rückleitung und verursacht eine Fehlerspannung (DV). Diese variiert mit der Frequenz der Schaltung.

Impedanz von Bondleitern

Im Idealfall sollte der Widerstand von Bondleitern weniger als ein Milliohm betragen. Bei höheren Frequenzen ist das Verhalten eines Bondleiters jedoch komplexer. Er kann parasitäre Effekte und Restkapazitäten in der Parallelschaltung aufweisen. In diesem Fall wird der Bonding-Leiter zu einem Parallelschwingkreis. Außerdem kann er aufgrund des Skin-Effekts, d. h. des Stromflusses durch die Außenfläche des Leiters, einen hohen Widerstand aufweisen.

Ein typisches Beispiel für eine leitungsgebundene Störeinkopplung ist ein Motor- oder Schaltkreis, der in einen Mikroprozessor mit Erdungsrückleitung eingespeist wird. In diesem Fall ist die Impedanz des Erdungsleiters höher als die Betriebsfrequenz, und es ist wahrscheinlich, dass der Stromkreis in Resonanz gerät. Aus diesem Grund werden die Erdungsleiter in der Regel an mehreren Punkten mit unterschiedlichen Erdungslängen geklebt.

Gleichstrompfad dominiert bei niederfrequenten Signalen

Es wird allgemein angenommen, dass der Gleichstrompfad für niederfrequente Signale einfacher zu implementieren ist als Hochfrequenzschaltungen. Diese Methode hat jedoch mehrere Einschränkungen, insbesondere bei integrierten Implementierungen. Zu diesen Einschränkungen gehören Flickerrauschen, Gleichstromversatz und große Zeitkonstanten. Außerdem werden bei diesen Entwürfen in der Regel große Widerstände und Kondensatoren verwendet, die ein starkes thermisches Rauschen erzeugen können.

Im Allgemeinen folgt der Rückstrom von Hochfrequenzsignalen dem Pfad mit der kleinsten Schleifenfläche und der geringsten Induktivität. Das bedeutet, dass der größte Teil des Signalstroms über einen schmalen Pfad direkt unter der Signalleitung in die Ebene zurückkehrt.

Ein-Punkt-Erdung

Die Ein-Punkt-Erdung ist ein wesentliches Element für den Schutz von Kommunikationsanlagen vor Blitzschlag. Neben einer effektiven Erdung bietet diese Technik auch einen strukturellen Blitzschutz. Sie wurde in blitzgefährdeten Gebieten ausgiebig getestet und hat sich als wirksame Methode erwiesen. Die Ein-Punkt-Erdung ist jedoch nicht die einzige Überlegung.

Wenn der Leistungsunterschied zwischen den Stromkreisen groß ist, ist eine serielle Ein-Punkt-Erdung möglicherweise nicht sinnvoll. Der daraus resultierende hohe Rückstrom kann Stromkreise mit geringer Leistung stören. Wenn der Leistungsunterschied gering ist, kann eine parallele Ein-Punkt-Erdung verwendet werden. Diese Methode hat jedoch viele Nachteile. Die Ein-Punkt-Erdung ist nicht nur ineffizient, sondern erfordert auch einen größeren Erdungsaufwand und erhöht die Erdungsimpedanz.

Ein-Punkt-Erdungssysteme werden im Allgemeinen bei niedrigeren Frequenzen verwendet. Wenn die Stromkreise jedoch mit hohen Frequenzen betrieben werden, kann ein Mehrpunkt-Erdungssystem eine gute Wahl sein. Die Erdungsebene eines Hochfrequenzkreises sollte von zwei oder mehr Kreisen gemeinsam genutzt werden. Dadurch wird die Gefahr von Magnetschleifen verringert.

Leistungsstörungen

Leistungsstörungen können die Leistung einer Schaltung beeinträchtigen und sogar ernsthafte Probleme mit der Signalintegrität verursachen. Daher ist es unerlässlich, Leistungsstörungen bei der Entwicklung von Hochfrequenzschaltungen zu berücksichtigen. Glücklicherweise gibt es Methoden, um diese Probleme zu lösen. Die folgenden Tipps werden Ihnen helfen, die Leistungsstörungen in Ihren Hochfrequenzdesigns zu reduzieren.

Verstehen Sie zunächst, wie elektromagnetische Interferenzen entstehen. Es gibt zwei Hauptarten von Störungen: kontinuierliche und impulsartige. Kontinuierliche Störungen entstehen durch künstliche und natürliche Quellen. Beide Arten von Störungen sind durch einen Kopplungsmechanismus und eine Reaktion gekennzeichnet. Impulsstörungen hingegen treten intermittierend und innerhalb kurzer Zeit auf.