Как решить проблему заземления при проектировании высокочастотных систем

При проектировании высокочастотных устройств необходимо решать проблему заземления. Существует несколько вопросов, которые необходимо решить, когда речь идет о заземлении. К ним относятся импеданс заземляющих проводников и заземляющих связей, доминирование низкочастотных сигналов в тракте постоянного тока и одноточечное заземление.

Импеданс заземляющих проводников

Заземляющий электрод типичной заземленной электрической системы находится в параллельном соединении с заземляющими стержнями, расположенными со стороны линии, трансформаторов и столбов. Испытываемый стержень подключается к заземляющему электроду. Эквивалентное сопротивление заземляющих стержней со стороны линии пренебрежимо мало.

Одноточечный метод заземления приемлем для частот ниже 1 МГц, но менее желателен для высоких частот. Одноточечное заземление приводит к увеличению импеданса заземления из-за индуктивности провода и емкости дорожки, а паразитная емкость создает нежелательные пути возврата заземления. Для высокочастотных цепей необходимо многоточечное заземление. Однако при этом методе образуются контуры заземления, подверженные индукции магнитного поля. Поэтому важно избегать использования гибридных контуров заземления, особенно если в схеме присутствуют чувствительные компоненты.

Помехи на землю могут стать серьезной проблемой в высокочастотных цепях, особенно если эти цепи потребляют большие переменные токи от источника питания. Этот ток протекает в обратном канале общего заземления и вызывает напряжение ошибки, или DV. Оно изменяется в зависимости от частоты работы схемы.

Импеданс соединительных проводников

В идеале сопротивление связующих проводников должно быть меньше одного миллиома. Однако на более высоких частотах поведение связующего проводника становится более сложным. В нем могут проявляться паразитные эффекты и остаточная емкость в параллельном включении. В этом случае связующий проводник превращается в параллельный резонансный контур. Кроме того, он может обладать высоким сопротивлением из-за скин-эффекта - протекания тока по внешней поверхности проводника.

Типичным примером кондуктивной помеховой связи является цепь двигателя или коммутации, подаваемая на микропроцессор с заземленным ответвлением. В этой ситуации импеданс заземляющего проводника выше его рабочей частоты, и это может привести к резонансу цепи. В связи с этим заземляющие проводники обычно соединяются в нескольких точках с разной длиной соединения.

Доминирование пути постоянного тока для низкочастотных сигналов

Принято считать, что доминирование тракта постоянного тока для низкочастотных сигналов проще реализовать, чем для высокочастотных цепей. Однако этот метод имеет ряд ограничений, особенно в интегральных реализациях. К таким ограничениям относятся фликкер-шум, смещение постоянного тока и большие постоянные времени. Кроме того, в таких схемах обычно используются большие резисторы и конденсаторы, которые могут создавать большие тепловые шумы.

В общем случае обратный ток высокочастотных сигналов проходит по пути с наименьшей площадью контура и наименьшей индуктивностью. Это означает, что большая часть тока сигнала возвращается на плоскость по узкому пути непосредственно под трассой сигнала.

Одноточечное заземление

Одноточечное заземление является важным элементом защиты объектов связи от молнии. Помимо эффективной связи, этот метод обеспечивает конструктивную молниезащиту. Он прошел многочисленные испытания в молниеопасных районах и доказал свою эффективность. Однако одноточечное заземление - это не единственная задача.

Если разница в уровнях мощности между цепями велика, использование последовательного одноточечного заземления может оказаться нецелесообразным. Возникающий при этом большой обратный ток может создавать помехи для маломощных схем. Если разница в уровнях мощности невелика, можно использовать параллельную схему одноточечного заземления. Однако этот метод имеет много недостатков. Кроме того, что одноточечное заземление неэффективно, оно требует большего количества заземляющих элементов и увеличивает сопротивление заземления.

Одноточечные системы заземления обычно используются в низкочастотных конструкциях. Однако если цепи работают на высоких частотах, то хорошим выбором может стать многоточечная система заземления. Плоскость заземления высокочастотного контура должна быть общей для двух или более контуров. Это уменьшит вероятность образования магнитных петель.

Помехи по питанию

Помехи по мощности могут ухудшить характеристики схемы и даже привести к серьезным нарушениям целостности сигнала. Поэтому при проектировании высокочастотных устройств крайне важно бороться с помехами по мощности. К счастью, существуют методы решения этих проблем. Приведенные ниже советы помогут вам снизить уровень силовых помех при проектировании высокочастотных устройств.

Прежде всего, необходимо понять, как возникают электромагнитные помехи. Существует два основных типа помех: непрерывные и импульсные. Непрерывные помехи возникают от техногенных и природных источников. Оба типа помех характеризуются механизмом связи и откликом. Импульсные помехи, напротив, возникают периодически и в течение короткого времени.