Hoe om te gaan met aarding in hoogfrequent ontwerpen

Hoogfrequent ontwerpen moeten het probleem van aarding aanpakken. Er zijn verschillende zaken die aangepakt moeten worden als het gaat om aarding. Dit zijn onder andere de impedantie van aardingsgeleiders en aardingsverbindingen, DC-paden die laagfrequente signalen domineren en eenpuntsaarding.

Impedantie van aardingsgeleiders

De aardelektrode van een typisch geaard elektrisch systeem staat parallel met de aardstaven aan de lijnzijde van de service, transformatoren en palen. De te testen staaf is verbonden met de aardelektrode. De equivalente weerstand van de aardstaven aan de lijnzijde is verwaarloosbaar.

Een eenpuntsaardingsmethode is acceptabel voor frequenties onder één MHz, maar is minder wenselijk voor hoge frequenties. Een eenpuntsaardingskabel zal de aardingsimpedantie verhogen als gevolg van draadinductantie en spoorcapaciteit, terwijl zwerfcapaciteit onbedoelde aardretourpaden zal creëren. Voor hoogfrequente circuits is meerpuntsaarding noodzakelijk. Deze methode creëert echter aardlussen die gevoelig zijn voor magnetische veldinductie. Daarom is het belangrijk om hybride aardlussen te vermijden, vooral als het circuit gevoelige componenten bevat.

Aardingsruis kan een groot probleem zijn in hoogfrequente schakelingen, vooral wanneer de schakelingen grote variërende stromen uit de voeding trekken. Deze stroom vloeit in de common-ground retour en veroorzaakt foutspanning, of DV. Deze varieert met de frequentie van de schakeling.

Impedantie van verbindingsgeleiders

In het ideale geval is de weerstand van verbindingsgeleiders minder dan één milli-ohm. Bij hogere frequenties is het gedrag van een verbindingsgeleider echter complexer. Hij kan parasitaire effecten en restcapaciteit parallel vertonen. In dit geval wordt de verbindingsgeleider een parallel resonantiekring. De geleider kan ook een hoge weerstand vertonen door het skin-effect, dat is de stroom die door het buitenoppervlak van de geleider loopt.

Een typisch voorbeeld van een geleide interferentiekoppeling is een motor- of schakelcircuit dat gevoed wordt door een microprocessor met een aardingsretour. In deze situatie is de impedantie van de aardgeleider hoger dan de werkfrequentie en zal het circuit waarschijnlijk gaan resoneren. Daarom worden aardgeleiders meestal op meerdere punten verbonden, met verschillende lengtes.

DC-pad domineert voor laagfrequente signalen

Algemeen wordt aangenomen dat DC-pad dominantie voor laagfrequente signalen eenvoudiger te implementeren is dan hoogfrequente schakelingen. Deze methode heeft echter een aantal beperkingen, vooral bij geïntegreerde implementaties. Deze beperkingen zijn onder andere flikkerruis, DC stroomoffsets en grote tijdsconstanten. Bovendien gebruiken deze ontwerpen meestal grote weerstanden en condensatoren, die grote thermische ruis kunnen produceren.

Over het algemeen volgt de retourstroom van hoogfrequente signalen het pad met het minste lusoppervlak en de minste inductie. Dit betekent dat het grootste deel van de signaalstroom terugkeert op het vlak via een smal pad direct onder het signaalspoor.

Enkelpunt-aarding

Enkelpunt-aarding is een essentieel element in het beschermen van communicatiesites tegen bliksem. Naast effectieve aarding biedt deze techniek structurele bescherming tegen blikseminslag. Het is uitgebreid getest in bliksemgevoelige gebieden en heeft bewezen een effectieve methode te zijn. Maar eenpuntsaarding is niet de enige overweging.

Als het vermogensverschil tussen de circuits groot is, kan het niet praktisch zijn om een eenpuntsaarding in serie te gebruiken. De resulterende grote retourstroom kan interfereren met circuits met een laag vermogen. Als het vermogensverschil laag is, kan een parallel eenpuntsaardingssysteem worden gebruikt. Deze methode heeft echter veel nadelen. Naast het feit dat het inefficiënt is, vereist eenpuntsaarding een grotere hoeveelheid aarding en het verhoogt ook de aardingsimpedantie.

Enkelpunt-aardingssystemen worden over het algemeen gebruikt in ontwerpen voor lagere frequenties. Als de circuits echter op hoge frequenties worden gebruikt, kan een meerpuntsaardingssysteem een goede keuze zijn. De massaplaat van een hoogfrequent circuit moet gedeeld worden door twee of meer circuits. Dit verkleint de kans op magnetische lussen.

Stroomstoring

Vermogensstoringen kunnen de prestaties van een schakeling verslechteren en zelfs ernstige problemen met de signaalintegriteit veroorzaken. Daarom is het noodzakelijk om om te gaan met vermogensstoringen bij het ontwerpen van hoge frequenties. Gelukkig zijn er methoden om met deze problemen om te gaan. De volgende tips zullen je helpen om de hoeveelheid stroomstoringen in je hoogfrequent ontwerpen te verminderen.

Begrijp eerst hoe elektromagnetische interferentie optreedt. Er zijn twee hoofdtypen interferentie: continue en impulsinterferentie. Continue interferentie ontstaat door kunstmatige en natuurlijke bronnen. Beide soorten interferentie worden gekenmerkt door een koppelingsmechanisme en een respons. Impulsstoring daarentegen treedt intermitterend en binnen een korte tijd op.