Abschirmdose, wie ist der richtige Weg?

Ich mag es, einen empfindlichen Stromkreis von mir mit einem Schild zu schützen. Ich habe kein Bild, aber im Grunde habe ich ein 1 mm dickes Grundrechteck auf die oberste Ebene gelegt, und ich werde den Schild so darüber legen, dass er mit dieser Grundspur in Kontakt kommt.

Ich habe einige Bedenken.

1. Erstelle ich auf diese Weise eine Erdungsschleife?
2. Wenn ich den Schirm nicht benutze, mache ich eine Antenne, die Geräusche aufnimmt?
3. Was ist die empfohlene Vorgehensweise für diese Art von Schild?

Eigentlich mag ich es, den Schirm an einem einzigen Punkt anzuschließen, aber ein erfahrener Hardware-Mitarbeiter besteht darauf, dass er einen vollen rechteckigen Boden freilegt, so dass der Schirm an jedem Punkt den Boden berühren kann.

Aktualisieren

Hier ist eine sehr rudimentäre Darstellung.

UPDATE 2

Rauschen ist am Ausgang unseres Verstärkers (Transimpedanz). Es ist ungefähr 3-5 mV für eine Verstärkung von 300.000. (Ich habe Fehler im ersten Layout gemacht und mache jetzt ein besseres Board. Ziel ist es, das Rauschen der ersten Stufe auf weniger als 1 mV zu reduzieren.)

Ich habe zwei LDOs , die der Batterie Energie entziehen . Beide weisen eine hohe PSRR auf . Dies ist eine sechsschichtige Platte mit dem folgenden Stapel, S / G / S / G / P / S. Das ist etwas ungewöhnlich, aber ich verstecke empfindliche Signale zwischen diesen Gründen. Das Board muss nicht aus sechs Schichten bestehen, aber dies wird später Teil eines anderen überfüllten Boards, daher die sechs Schichten.

Lärmquellen sind im Überfluss vorhanden:

• Stromversorgung: Wir mildern dies mit guten LDOs, Filtern ( Pi-Filter ), Bypass-Kondensatoren usw. Bisher sehe ich im schlimmsten Fall 1-2 mV Welligkeit bei der Stromversorgung; Das könnte sogar meine Ausrüstung sein. (Ich habe keine gute Ausrüstung, auch die Verstärker haben ein PSRR von 50 + dB, daher sollte dies nur minimale Auswirkungen auf den Ausgang haben.)

• Opamp-Rauschen: Dies ist das Eigenrauschen des Verstärkers. Ich habe einen rauscharmen Opamp. .$3\ nV/\sqrt{Hz}$

• Fotodiode: Ich verwende eine große Fotodiode, diese nimmt unvermeidlich Rauschen auf.

• Andere elektromagnetische Quellen: Wir haben gesehen, dass die Platine sehr empfindlich ist und das Rauschen in verschiedenen Situationen auftritt. Außerdem empfehlen die Referenzschemata einiger Quellen die Abschirmung der reduzierten Außengeräuschquellen, sodass wir diese Abschirmoption einsetzen, um unser nächstes Board zu testen.

UPDATE 3

• 3-5 mV existieren auch ohne die 10K und die C1. Im Wesentlichen keine Eingabe für den Opamp. Das lässt mich denken, dass mein Layout nicht perfekt ist.

Hier sind die Grundschemata für den Verstärker. Ich kann noch mehr hinzufügen, wenn wir es für notwendig halten.

Folgende Regeln wurden beachtet:

• Schließen Sie zwei Erdungsschichten ab, die über mehrere Durchkontaktierungen verbunden sind .
• Die 3,3-V-Versorgung (auch die Versorgung der Operationsverstärker) wird über einen 2,2-µF-Tantalkondensator und das Pi-Netzwerk (100-kHz-Rollover) vor der Versorgung der Fotodiode (dh vor dem 10-K-Widerstand) gefiltert. Wir haben auch 1/100/10 nF Kondensatoren in der Nähe der 10K. (Ich bin nicht sicher, ob es eine gute Idee ist, aber es ist besser, in Sicherheit zu sein.)
• C1 blockiert die DC (AC-gekoppelte Architektur), wir verstärken nur AC.
• Der Opamp hat 1/100/10 nF an den Versorgungs- und Vorspannungsstiften (die Vorspannung wird vom zweiten LDO bereitgestellt).
• Der Rückkopplungskondensator und der Widerstand sind so nahe wie möglich am Operationsverstärker angeordnet.
• Alle Signalspuren zwischen den Fotodioden und den Operationsverstärkern werden minimiert. es handelt sich um den schlimmsten Fall <2 cm.
• Alle als kritisch erachteten Signale werden zwischen zwei Bodenschichten platziert.

Eine weitere Beobachtung, die erklärt, warum wir über Abschirmung nachdenken: Ich schließe einen Widerstand an unseren Funktionsgenerator an und schalte ihn ein. Dies geschieht über Krokodilkabel (im Wesentlichen eine Rahmenantenne), damit wir wissen, dass er mit der von uns gewählten Frequenz strahlt. Ich kann die Ausgabe von opamp sehen, die dies schön aufnimmt und verstärkt. Es ist mir also sehr klar, dass die Quellen von außen ins Spiel kommen, daher die ganze Diskussion.

Wenn ich zum ersten Mal höre, dass jemand einen Schild benutzen möchte, beginne ich damit, dass ein Schild die erste Zuflucht für Inkompetente ist. Das ist nicht ganz fair, da es legitime Verwendungszwecke für Abschirmungen gibt, aber es gibt den Ton für die eigentliche Diskussion, bei der es in der Regel um HF-Emissionen oder Störanfälligkeit und letztendlich um eine schlechte Erdung geht, die das Chaos verursacht.

Ein Schild sollte die letzte Zuflucht der Zuständigen sein. Schilde haben auch erhebliche Nachteile, die über das offensichtliche Kostenproblem hinausgehen. Die Inkompetenten glauben an den Mythos, dass, wenn Sie etwas in eine leitfähige Box einschließen, die HF-Energie nicht austreten oder eintreten kann. Das ist absolut nicht wahr. Eine Abschirmung kann auch zu einer Antenne werden, wenn sie nicht richtig ausgelegt ist.

Bevor wir über Ihren Schild sprechen können, müssen wir Ihre Erdungsstrategie sorgfältig durchgehen. Abschirmungen und Erdung passen eng zusammen. Erklären Sie, was genau das Problem ist, von dem Sie glauben, dass der Schild es lösen wird, wie genau alles geerdet ist, welche Geräuschquellen vorliegen usw.

Im Allgemeinen trägt eine gute Erdung mehr zur Reduzierung der HF-Emissionen und der Störanfälligkeit bei als eine Abschirmung. Wenn die Erdung richtig erfolgt, kann ein Schild die Emissionen zusätzlich dämpfen. Wenn die Erdung falsch durchgeführt wird, kann die Abschirmung zu einer Antenne werden und die Situation verschlimmern. Bei einer guten Erdung sollte die Abschirmung den Stromkreis im Allgemeinen mit möglichst wenigen und kleinen Löchern umschließen und an genau einer Stelle mit der Erdung des Hauptstromkreises verbunden sein .

Erzählen Sie uns noch einmal mehr über Ihre Schaltung, Ihr Layout und Ihr Problem. Dann können wir mehr über das Schild diskutieren, wenn es noch angemessen ist.

Hinzugefügt nach Update 2:

Es hört sich so an, als ob Ihr Hauptanliegen darin besteht, dass Rauschen auf Ihr analoges Signal gelangt. Sie haben derzeit 3-5 mV Rauschen am Ausgang des ersten Verstärkers, möchten dies jedoch auf 1 mV reduzieren. Sie sagen, dies ist ein Transimpedanzverstärker, aber dies wird durch Ihre Verstärkung von 300.000 widerlegt, so dass wir immer noch nicht wissen, was Ihre Schaltung wirklich ist.

Woher kommt das Eingangssignal? Wie kommt es zum Verstärkereingang? Was ist ihre Referenz und was haben Sie getan, um sicherzustellen, dass diese Referenz sauber ist? Das eigentliche Problem ist, diese erste Verstärkerstufe so rauscharm wie möglich zu machen. Danach hat das Signal einen höheren Pegel und eine niedrigere Impedanz, so dass es nicht so anfällig ist. Was sind die externen Rauschquellen, die auf das Eingangssignal gelangen? Wie viel Lärm kommt aus der ersten Stufe heraus, wenn Sie deren Eingang kurzschließen?

Ein hoher PSRR-Wert für Verstärker und Spannungsregler ist gut. Beachten Sie jedoch, dass dieser Wert nur bei niedrigen Frequenzen gilt. Wenn Sie eine besonders empfindliche Schaltung haben, geben sie ihre eigene Linearregler mit den Stromversorgungseingängen zu diesem Regler gefiltert. So etwas wie eine Chip-Induktivität, gefolgt von einem großen Keramikkondensator, der vor dem Regler geerdet ist, ist normalerweise gut. Vielleicht sogar zwei davon in Serie. Der Punkt ist, die hohen Frequenzen auf der Stromversorgung zu eliminieren, so dass die aktive Elektronik im Regler den Rest erledigen kann. Ich möchte, dass die Filter bei 10 kHz oder darunter abrollen. Sie möchten auch die ungefilterten Netzteile vom Eingangssignal fernhalten, um eine kapazitive Abtastung zu vermeiden. Wachspuren können helfen.

Ich mag die zwei Grundschichten nicht. Zwei Grundschichten können Sie in Schwierigkeiten bringen, wenn sie nicht regelmäßig zusammengenäht werden. Auch hier denken Sie an Schild, wenn Sie stattdessen sorgfältig über die Erdung nachdenken sollten. Visualisieren Sie alle fließenden Rückströme und stellen Sie sicher, dass die Hochfrequenzkomponenten nicht über die Masseebene fließen. Verwenden Sie lokale Untergrundebenen in bestimmten Abschnitten, die entweder hochfrequentes Rauschen erzeugen oder für solches Rauschen empfindlich sind. Die unmittelbaren Überbrückungskondensatoren gehen zum lokalen Erdungsnetz, das dann an nur einer Stelle mit dem globalen Erdungsnetz verbunden ist.

Zeigen Sie die Schaltung der ersten Verstärkerstufe und erläutern Sie, wie die gesamte Erdung tatsächlich angelegt ist.

Hinzugefügt nach Update 3:

3-5 mV existieren auch ohne die 10K und die C1. Im Wesentlichen kein Eingang zum Operationsverstärker. Das lässt mich denken, dass mein Layout nicht perfekt ist.

Das heißt, dass das Rauschen nicht vom Fotodetektor ausgeht. Sie können dies also vorerst vergessen. Das Rauschen liegt entweder an der Vorspannung für den positiven Eingang oder am Boden.

Schließen Sie zwei Erdungsschichten ab, die über mehrere Durchkontaktierungen verbunden sind.

Ich halte das aus zwei Gründen nicht für eine gute Idee. Erstens müssen diese beiden Ebenen regelmäßig zusammengenäht werden. Das ist nicht so einfach, wie es sich anhört. Zweitens klingt es so, als hätten Sie Sub-Ground für kritische Subsysteme nicht verwendet. Ein Teil des Punktes dieser Untergründe besteht darin, die hochfrequenten Schleifenströme zu isolieren, um sie von der Hauptmasse fernzuhalten. Durch das Anbringen jeder Untermasse an nur einer Stelle an der Hauptmasse werden die Hochfrequenzschleifenströme lokal gehalten und verhindert, dass das Untersystem aufgrund von Strömen auf der Masseebene Offsetspannungen zwischen verschiedenen Massepunkten sieht.

Die 3,3-V-Versorgung (auch die Versorgung für die Operationsverstärker) wird über einen 2,2-µF-Tantalkondensator und ein Pi-Netzwerk (100-kHz-Rollover) vor der Versorgung der Fotodiode (dh vor dem 10-K-Widerstand) gefiltert.

Aber davon zeigst du nichts. Ein Tantalkondensator hat ein schlechteres Hochfrequenzverhalten und einen höheren ESR als ein Keramikkondensator. Es gibt wirklich keinen Grund, einen Tantalkondensator bei dieser Spannung und Kapazität zu verwenden. Auch ein Kondensator allein ist ohne eine gewisse Impedanz, gegen die gearbeitet werden muss, nicht sehr gut. Sie erwähnen ein pi-Netzwerk, aber nichts davon ist im Schaltplan gezeigt und Sie sprechen nur über eine einzelne Kapazität, so dass sich das nicht summiert.

Wie ich bereits sagte, sind 100 kHz zu hoch. Wie gesagt, ich würde gerne 10 kHz oder weniger sehen.

Wir haben auch 1/100/10 nF Kondensatoren in der Nähe der 10K.

Gut, aber sie brauchen eine gewisse Impedanz, um dagegen zu wirken. Ein Ferritperlen-Chip-Induktor in Reihe mit der Versorgungsspeisung würde dies tun, wie ich bereits sagte.

Der Operationsverstärker hat 1/100/10 nF an den Versorgungs- und Vorspannungsstiften

OK, aber noch einmal, diese brauchen eine gewisse Impedanz, um dagegen zu wirken. Eine in Reihe geschaltete Chip-Induktivität würde helfen.

Wo genau verbinden sich diese Kondensatoren mit der Erde? Ich vermute, Sie dringen nur bis zu Ihren Bodenebenen durch. Auch dies sollte alles an einem einzigen Punkt mit einem lokalen Erdungsnetz verbunden sein, das mit der Haupterdungsebene verbunden ist.

Der Rückkopplungskondensator und der Widerstand werden so nahe wie möglich am Operationsverstärker platziert.

Gut.

Alle Signalspuren zwischen den Fotodioden und den Operationsverstärkern werden minimiert. es handelt sich um den schlimmsten Fall <2 cm

Sie haben bereits gezeigt, dass dies nicht der Grund für den Lärm ist.

Das gesamte als kritisch erachtete Signal wird zwischen zwei Grundschichten platziert.

Auch diese Art der Abschirmung ist nur nützlich, wenn Sie einen sauberen Untergrund haben, was ich glaube, nicht der Fall ist. Wenn Sie dies nicht tun, müssen Sie lediglich die kapazitive Kopplung vom Rauschen auf dem Boden zu Ihrem Signal erhöhen.