Jak radzić sobie z uziemieniem w projektowaniu wysokich częstotliwości

Projekty wysokiej częstotliwości muszą uwzględniać kwestię uziemienia. Istnieje kilka kwestii, którymi należy się zająć, jeśli chodzi o uziemienie. Należą do nich impedancja przewodów uziemiających i połączeń uziemiających, ścieżka DC dominująca sygnały o niskiej częstotliwości oraz uziemienie jednopunktowe.

Impedancja przewodów uziemiających

Elektroda uziemiająca typowego uziemionego systemu elektrycznego jest równoległa do prętów uziemiających znajdujących się po stronie linii serwisowej, transformatorów i słupów. Testowany pręt jest podłączony do elektrody uziemiającej. Rezystancja zastępcza prętów uziemiających po stronie linii jest pomijalna.

Metoda uziemienia jednopunktowego jest akceptowalna dla częstotliwości poniżej 1 MHz, ale jest mniej pożądana dla wysokich częstotliwości. Jednopunktowy przewód uziemiający zwiększy impedancję uziemienia z powodu indukcyjności przewodu i pojemności ścieżki, podczas gdy pojemność rozproszona utworzy niezamierzone ścieżki powrotu uziemienia. W przypadku obwodów wysokiej częstotliwości konieczne jest uziemienie wielopunktowe. Jednak ta metoda tworzy pętle uziemienia, które są podatne na indukcję pola magnetycznego. Dlatego ważne jest, aby unikać stosowania hybrydowych pętli uziemienia, zwłaszcza jeśli obwód będzie zawierał wrażliwe komponenty.

Szum uziemienia może być poważnym problemem w obwodach wysokiej częstotliwości, zwłaszcza gdy obwody pobierają duże, zmienne prądy z zasilania. Prąd ten płynie we wspólnym powrocie masy i powoduje napięcie błędu lub DV. Zmienia się ono wraz z częstotliwością obwodu.

Impedancja przewodów łączących

W idealnym przypadku rezystancja przewodów łączących powinna być mniejsza niż jeden miliom. Jednak przy wyższych częstotliwościach zachowanie przewodu łączącego jest bardziej złożone. Może on wykazywać efekty pasożytnicze i resztkową pojemność równoległą. W takim przypadku przewodnik łączący staje się równoległym obwodem rezonansowym. Może również wykazywać wysoką rezystancję ze względu na efekt naskórkowości, który polega na przepływie prądu przez zewnętrzną powierzchnię przewodnika.

Typowym przykładem sprzężenia z zakłóceniami przewodzonymi jest silnik lub obwód przełączający zasilany do mikroprocesora z uziemieniem powrotnym. W tej sytuacji impedancja przewodu uziemiającego jest wyższa niż jego częstotliwość robocza i prawdopodobnie spowoduje rezonans obwodu. Z tego powodu przewody łączące są zwykle łączone w wielu punktach, z różnymi długościami łączenia.

Ścieżka DC dominująca dla sygnałów o niskiej częstotliwości

Powszechnie zakłada się, że ścieżka DC dominująca dla sygnałów o niskiej częstotliwości jest łatwiejsza do wdrożenia niż obwody o wysokiej częstotliwości. Metoda ta ma jednak kilka ograniczeń, zwłaszcza w zintegrowanych implementacjach. Ograniczenia te obejmują szum migotania, przesunięcia prądu stałego i duże stałe czasowe. Co więcej, projekty te zwykle wykorzystują duże rezystory i kondensatory, które mogą wytwarzać duży szum termiczny.

Ogólnie rzecz biorąc, prąd powrotny sygnałów o wysokiej częstotliwości będzie podążał ścieżką o najmniejszej powierzchni pętli i najmniejszej indukcyjności. Oznacza to, że większość prądu sygnału powraca na płaszczyznę wąską ścieżką bezpośrednio pod ścieżką sygnału.

Uziemienie jednopunktowe

Uziemienie jednopunktowe jest niezbędnym elementem ochrony obiektów komunikacyjnych przed wyładowaniami atmosferycznymi. Oprócz skutecznego łączenia, technika ta zapewnia strukturalną ochronę odgromową. Została ona szeroko przetestowana w obszarach podatnych na wyładowania atmosferyczne i okazała się skuteczną metodą. Jednak jednopunktowe uziemienie nie jest jedynym aspektem.

Jeśli różnica poziomów mocy między obwodami jest duża, zastosowanie szeregowego uziemienia jednopunktowego może być niepraktyczne. Wynikający z tego duży prąd powrotny może zakłócać działanie obwodów małej mocy. Jeśli różnica poziomów mocy jest niska, można zastosować równoległy schemat uziemienia jednopunktowego. Metoda ta ma jednak wiele wad. Oprócz tego, że jest nieefektywna, jednopunktowe uziemienie wymaga większej ilości uziemienia, a także zwiększa impedancję uziemienia.

Jednopunktowe systemy uziemienia są zwykle używane w projektach o niższej częstotliwości. Jeśli jednak obwody działają na wysokich częstotliwościach, dobrym wyborem może być wielopunktowy system uziemienia. Płaszczyzna uziemienia obwodu wysokiej częstotliwości powinna być współdzielona przez dwa lub więcej obwodów. Zmniejszy to ryzyko powstawania pętli magnetycznych.

Zakłócenia zasilania

Zakłócenia zasilania mogą pogorszyć wydajność obwodu, a nawet spowodować poważne problemy z integralnością sygnału. W związku z tym konieczne jest radzenie sobie z zakłóceniami mocy w projektowaniu układów wysokiej częstotliwości. Na szczęście istnieją metody radzenia sobie z tymi problemami. Poniższe wskazówki pomogą zmniejszyć ilość zakłóceń mocy w projektach wysokiej częstotliwości.

Po pierwsze, należy zrozumieć, w jaki sposób występują zakłócenia elektromagnetyczne. Istnieją dwa główne rodzaje zakłóceń: ciągłe i impulsowe. Zakłócenia ciągłe pochodzą ze źródeł naturalnych i wytworzonych przez człowieka. Oba typy zakłóceń charakteryzują się mechanizmem sprzęgania i odpowiedzią. Z drugiej strony zakłócenia impulsowe występują sporadycznie i w krótkim czasie.