Der Fluch der Bodenschleife

Manchmal fühlt es sich an, als wäre eine Erdschleife unvermeidlich. Bitte folgen Sie dem folgenden Gedankenexperiment. Es wäre wunderbar, wenn Sie Lösungen für das beschriebene Problem anbieten könnten.

Stellen Sie sich ein Brett vor, auf dem man keine Grundebene verwenden kann. Es gibt einige Chips auf dem Brett:

Ein digitales oder analoges Signal fließt von Chip 2 zu Chip 3. Angenommen, die Spur kann nicht direkt zum anderen Chip gehen, sondern muss sich um eine andere Schaltung auf der Platine biegen.

Betrachten Sie nun den Stromfluss, wenn sich das Signal von Chip 2 zu Chip 3 bewegt:

Das sieht schlecht aus. Die vom Stromfluss umschlossene Oberfläche ist sehr groß. Wenn es sich um ein digitales Signal handelt, wird es mit Sicherheit viel Rauschen in die auf dieser Oberfläche gelötete Schaltung einspeisen. Und wenn es sich um ein analoges Signal handelt, absorbiert es wahrscheinlich Rauschen von den Schaltkreisen auf dieser Oberfläche.

Ich versuche klug zu sein und habe die folgende Lösung gefunden. Fügen wir einen Rückweg für das Signal hinzu:

Huray, es sieht so aus, als ob das Signal jetzt sehr gut geschützt ist. Die umschlossene Fläche ist viel kleiner. Es sendet keine Magnetfelder aus und absorbiert sie auch nicht.

Aber Moment mal ... siehst du das? Sehen Sie die Erdungsschleife, die ich gerade erstellt habe? Schau nochmal:

Huch! Was jetzt? Habe ich die Situation nur verbessert oder habe ich sie tatsächlich verschlimmert?

Bitte helfen Sie ...

— K. Mulier
quelle

Halten Sie sich an das ursprüngliche Layout und leiten Sie das Signal so um, dass es parallel zum Boden verläuft. Es ist immer möglich, künstliche Situationen zu schaffen, die schlechte Lösungen erfordern.

— RoyC

Diese Situation ist nicht nur künstlich, sondern basiert auf realen Situationen. Manchmal kann man keine Grundebene haben. Manchmal kann man das Signal nicht "parallel zum Boden umleiten", weil Dinge im Weg sind (Dinge, die sich möglicherweise selbst in Bodennähe befinden müssen). In vielen Fällen hat man nicht genug Platz auf dem Brett, um alles ideal zu machen.

— Dann

Wenn ein Signal eine Route durchquert, können Sie immer festlegen, dass der Bodenpfad dieselbe Route durchquert, es sei denn, Ihr Board verfügt nicht über genügend physischen Platz. In letzterem Fall benötigen Sie ein Board mit mehr Platz oder mehr Ebenen. Die Art und Weise, wie wir im Allgemeinen vermeiden, versehentlich in diese Situation zu geraten, besteht darin, zuerst alle kritischen Pfade zu platzieren und zurückzukehren und dann das Board mit anderen Dingen zu überladen. Es ist eine Wahl, zu früh keinen Routing-Platz mehr zu haben. Ihre Antwort ist, dass das Signal von C2 nach Norden und dann nach Osten zu C3 gehen sollte, genauso wie der Boden.

— Neil_UK

Löst eine zusätzliche Schicht mit fester Grundebene all dies tatsächlich?

— K. Mulier

Das erste verwendet ein Sternerdungsschema, das unter bestimmten Umständen gut funktioniert: niedrige Frequenzen, keine eingehenden EMI / RFI ... was bedeutet, dass es in der heutigen Welt ein zunehmend weniger nützliches Schema ist ...

Bevor ich jedoch über die Schleife spreche, möchte ich darauf hinweisen, dass Ihr Design eine Einzelversorgung ist. Daher ziehen Chips Versorgungsstrom und leiten ihn in den Boden. Die Verwendung langer Spuren für GND bedeutet in diesem Fall, dass dieser Strom eine Spannung gegen die GND-Impedanz erzeugt. Da GND als Spannungsreferenz verwendet wird, haben Ihre Chips unterschiedliche Referenzpotentiale.

Wenn es sich um Einzelversorgungs-Operationsverstärker handelt, wird dies als Signal verarbeitet. Wenn es sich um Logikchips handelt, kann Ground Bounce die Logikpegel beschädigen.

In beiden Fällen ist eine niedrige Erdungsimpedanz vorteilhaft, dh. Grundebene. Ohne Grundebene können Sie horizontal auf dem Player und vertikal auf der untersten Ebene routen und ein Gitter aus Versorgung / Boden erstellen, das zu Zeiten großer Boards voller TTL-Chips beliebt war.

Beachten Sie, dass, wenn Ihre Chips +/- 15 V Operationsverstärker sind, Strom in die Versorgungen fließt, diese jedoch nicht mit Masse verbunden sind (außer über Entkopplungskappen). In diesem Fall führt der variierende Versorgungsstrom nur dann zu zusätzlichem Rauschen bei GND, wenn die Entkopplung erfolgt Kappen sind schlecht platziert / verlegt.

Nun zurück zu Ihrer Frage:

Hierfür gibt es keine richtige Lösung. Früher waren einseitige analoge Karten (denken Sie an einen Videorecorder oder ein Kassettendeck) normalerweise in einem Metallgehäuse untergebracht, das als Schutzschild diente, und es gab keine Mobiltelefone. Heutige HiFi-Geräte (zum Beispiel) haben normalerweise eine gewisse Abschirmung. Wenn die Frontplatte aus Kunststoff besteht, können Sie erwarten, dass ein wenig leitfähige Sprühfarbe gegen einfallende elektromagnetische Störungen abschirmt.

Außerdem wurden diese riesigen TTL-Logikplatinen vor modernen Richtlinien zur elektromagnetischen Verträglichkeit entwickelt, und die Frequenzen waren niedrig.

Wie auch immer. Wenn die Signale schnell sind, müssen sie in der Nähe des Erdungsrückstrompfads verlegt werden, oder es wird eine Rahmenantenne gebildet, die sowohl sendet als auch empfängt. Auch die zusätzliche Induktivität verfälscht das Signal selbst.

Wenn es sich also um Logikchips handelt, ist das letzte Layout in Ihrem Beitrag vorzuziehen. Tatsächlich wäre die "Erdungsschleife" eine Zelle in einer Oldskool-Platine "Grid Ground / Supply".

Beachten Sie, dass die Erdungsschleife eine kurzgeschlossene Windung ist, sodass eingehende HF ziemlich stark sein müssten, um eine ausreichend hohe Spannung in sie zu induzieren, um die Logikpegel zu verfälschen. Das Hauptproblem wäre, dass es irgendwo im Spektrum eine Resonanzfrequenz haben würde ...

Speziell zur Audio-Erdung kann ich diesen Artikel von Bruno "The Man" Putzeys nur empfehlen . Gilt auch für andere analoge Anwendungen. Es macht auch Spaß zu lesen.

— peufeu
quelle

Sehr interessant! Sie sagen: "Wenn es sich also um Logikchips handelt, wäre das letzte Layout in Ihrem Beitrag vorzuziehen. Tatsächlich wäre die 'Erdungsschleife' eine Zelle in einer 'Skid Ground / Supply'-Karte der alten Schule." Was meinst du damit? Würden sich Ihre Schlussfolgerungen ändern, wenn die Chips analog statt logisch sind?

— K. Mulier

Ich würde bemerken, dass abgesehen von der potentiellen Resonanz eine Erdschleife überhaupt kein Problem ist. Normalerweise interessiert Sie die Spannung, die an einem Erdungsleiter entsteht, und das Hinzufügen weiterer Pfade wird dies kaum verschlimmern. Im Grenzfall führt diese Beobachtung zur Grundebene. Bei analogen Dingen möchten Sie normalerweise vorsichtig sein, wo Sie auf Dinge verweisen. Dies ist ein etwas anderes Problem, insbesondere wenn Sie feststellen, dass ein Operationsverstärker mindestens ein Gerät mit 5 Anschlüssen und kein Gerät mit drei Anschlüssen ist (denken Sie an eine Ausgangsstufe der Klasse AB) und wo die Ströme in jedem Quadranten fließen).

— Dan Mills

Ja, der letzte Satz ist der Grund, warum ich "richtig geroutete Entkopplungskappen" erwähnt habe: Beide Kappen-GND-Pins sollten an derselben Stelle mit der Masseebene verbunden sein, sodass nichtlineare Klasse-AB-Ströme, die durch die Kappen fließen, sich gut zu einer linearen Nachbildung der tatsächlichen Ströme summieren Operationsverstärker-Ausgangsstrom, der dann in GND eingespeist wird. Keine Notwendigkeit, verzerrte Ströme in GND einzuspeisen, wenn alles, was es kostet, um dies zu vermeiden, beide Kappen auf die gleiche Seite des Operationsverstärkers und ein wenig Spur gesetzt werden;)

— Peufeu

Ja! Wenn Sie die Schleifen klein machen (und viele davon haben), minimieren Sie die Impedanz zwischen zwei beliebigen Punkten im Netz, die Sie interessieren, und minimieren so die Spannungen, die zwischen diesen Punkten entstehen. Die einzigen Personen, die Erdungsschleifen schwitzen, sind Audiotypen, die symmetrische Verbindungen oder hierarchische Erdungen verwenden sollten, und in der Nähe von Gleichstrominstrumentierungstypen, die wiederum Erdung und Referenz trennen sollten. Beachten Sie, dass dies innerhalb eines Geräts gilt. Externe Schnittstellen haben andere Probleme.

— Dan Mills

"Die einzigen Leute, die Erdschleifen schwitzen, sind Audiotypen, die eine symmetrische Verbindung verwenden sollten" Absolut! Es gibt immer Erdungsschleifen, daher ist es am besten, ein Design zu verwenden, das bei Erdschleifen nicht auseinander fällt. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Signalreferenz.

— Peufeu