W artykule przedstawiono wybrane fragmenty książki Bruce’a Cartera pt. „Wzmacniacze operacyjne. Teoria i projektowanie.”, wydanej przez Wydawnictwo BTC.

Inne zasady uziemiania

• Płaszczyzny masy i zasilania są na tym samym potencjale dla prądu zmiennego dzięki kondensatorom odsprzęgającym oraz pojemności rozłożonej. Wobec tego ważne jest też odseparowanie płaszczyzn zasilania układów analogowych i cyfrowych.

Rys. 2. Rozmieszczenie płaszczyzn analogowych i cyfrowych

• Płaszczyzny cyfrowe i analogowe nie powinny się nakładać (rysunek 2). Płaszczyzna zasilania układów analogowych powinna pokrywać się z płaszczyzną masy analogowej, a płaszczyzna zasilania układów cyfrowych – z masą cyfrową. Jeżeli dowolne fragmenty płaszczyzn analogowych i cyfrowych nakładają się, to pojemność rozproszona między nimi powoduje przedostawanie się zakłóceń pochodzących z układów cyfrowych do części analogowej układu. Anuluje to zalety rozdzielenia obwodów zasilania i masy.

Rys. 3. Oddzielne masy

• Stosowanie oddzielnych mas (rysunek 3) nie oznacza, że masy te są elektrycznie odizolowane w urządzeniu. Muszą one zostać połączone w pewnym punkcie, najlepiej żeby to był pojedynczy punkt o małej impedancji. W całym urządzeniu jest tylko jeden punkt uziemienia, jest to zacisk bezpieczeństwa przy zasilaniu z sieci energetycznej albo masa baterii w układach z zasilaniem bateryjnym. Wszystkie inne połączenia „powracają” do tego punktu. Wszystkie masy powinny być połączone razem w jednym punkcie, który stanowi punkt masy urządzenia. Punkt ten jest połączony także z obudową. Ważne jest uniknięcie pętli masy powstających przy wielokrotnych połączeniach z obudową. Zapewnienie tylko jednego punktu masy urządzenia jest najtrudniejszym zadaniem projektanta urządzenia.
• Jeżeli to jest możliwe, należy przeznaczyć oddzielne styki w złączu do oddzielenia doprowadzeń masy i w ten sposób zapewnić połączenie wszystkich mas w jednym punkcie. Wskutek starzenia i zużycia przy wielokrotnych włączeniach wzrasta opór styków, wobec tego konieczne jest wykorzystanie do takich połączeń kilku styków równolegle. Wielowarstwowe płytki układów cyfrowych mogą zawierać setki lub tysiące obwodów, więc dodanie jeszcze jednego nie jest na ogół problemem, ale dodanie kilku styków w złączu może być trudne. Jeżeli nie da się zapewnić wyprowadzenia na zewnątrz płytki, konieczne staje się połączenie dwóch mas bezpośrednio na płytce drukowanej – trzeba przy tym zachować szczególną ostrożność.
• Ważne jest prowadzenie sygnałów cyfrowych jak najdalej od części analogowej obwodu. Nie ma sensu oddzielanie płaszczyzn, skracanie ścieżek analogowych czy staranne rozmieszczanie elementów pasywnych, jeżeli ścieżki przewodzące szybkie sygnały cyfrowe są prowadzone obok czułych na zakłócenia ścieżek sygnałów analogowych. Sygnały cyfrowe powinny omijać układy analogowe i nie nakładać się na płaszczyzny zasilania i masy analogowej. Jeżeli ten warunek nie jest spełniony, to w układzie trzeba uwzględnić pojawienie się nowego symbolu pokazanego na rysunku 4 – anteny nadawczej! Większość sygnałów zegarowych w układach cyfrowych ma tak dużą częstotliwość, że nawet minimalna pojemność między ścieżkami może wprowadzać znaczne zakłócenia. Należy pamiętać, że problem może stanowić nie tylko częstotliwość podstawowa, ale także harmoniczne sygnału zegarowego.

Rys. 4. Promieniowanie ze ścieżek na płytce drukowane

• Dobrym pomysłem jest umieszczenie układu analogowego jak najbliżej połączeń wyjścia/wyjścia na płytce. Projektanci układów cyfrowych, przyzwyczajeni do układów scalonych pobierających znaczny prąd, będą próbowali prowadzić ścieżkę o szerokości ponad 1,25 mm i długości kilkunastu centymetrów, sądząc że zmniejszanie jej oporu redukuje wprowadzane zakłócenia. Jednak, w rzeczywistości, takie postępowanie oznacza utworzenie długiego, wąskiego kondensatora wprowadzającego zakłócenia z płaszczyzny masy i zasilania cyfrowego wprost do wzmacniacza operacyjnego, pogarszając jeszcze problem.

Dobry przykład

Rysunek 5 stanowi przykład możliwego rozplanowania płytki drukowanej. W tym układzie wszystkie elementy elektroniczne, włącznie z zasilaczem, są umieszczone na jednej płytce. Zastosowano trzy odizolowane płaszczyzny masy/zasilania: dla zasilacza, dla układów cyfrowych i dla układów analogowych. Połączenia zasilania i masy części cyfrowej oraz analogowej są zwarte ze sobą tylko wewnątrz sekcji zasilacza i leżą blisko siebie na małym odcinku. Zakłócenia wielkiej częstotliwości są tłumione za pomocą dławików. W tym przypadku projektant umieścił układy analogowe małej częstotliwości blisko układów cyfrowych o małej szybkości, jednak rozdzielając je ?zycznie na płytce. To jest dobry, staranny projekt, mający dużą szansę na sukces – pod warunkiem, że zachowano także reguły prawidłowych połączeń oraz odsprzęgania.

Rys. 5. Przykład starannego projektu płytki drukowanej

Ważny wyjątek

Tylko w jednym przypadku konieczne jest połączenie doprowadzeń sygnałów analogowych i cyfrowych na płaszczyźnie masy analogowej. Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe (przetworniki A/C i C/A) są wytwarzane w postaci układów scalonych z wyprowadzeniami masy sygnałów analogowych i cyfrowych w tej samej obudowie. Na podstawie uprzednich rozważań można by założyć, że wyprowadzenie masy cyfrowej należy połączyć z masą cyfrową, a końcówkę masy analogowej – z masą analogową na płytce. Takie połączenia nie są jednak poprawne.
Nazwy wyprowadzeń masa analogowa i masa cyfrowa odnoszą się do wewnętrznych połączeń w układzie scalonym, a nie do płaszczyzn masy, do których powinny być dołączone. Powinny on zostać połączone z płaszczyzną masy analogowej. Połączenie tych punktów powinno być wykonane wewnątrz układu scalonego, ale przeszkadzają w tym wewnętrzne impedancje występujące w układzie scalonym, niemożliwe do zmniejszenia przy stosowaniu typowej technologii. Konstruktor układu scalonego liczy więc na to, że użytkownik tego układu wykona to połączenie o dostatecznie małej impedancji na zewnątrz układu scalonego. W przeciwnym razie parametry przetwornika będą gorsze niż w specy?kacji.
Użytkownik może przypuszczać, że połączenie części cyfrowej przetwornika może spowodować pogorszenie działania układu wskutek pojawienia się zakłóceń od przełączania układów cyfrowych w przewodach zasilania i masy analogowej.
Konstruktorzy przetworników zdają sobie z tego sprawę i projektują układy cyfrowe tak, aby zminimalizować zakłócenia powstające przy ich przełączaniu. Jeżeli obciążenie wyjść cyfrowych przetwornika jest niewielkie, nie powinny więc wystąpić problemy tego rodzaju. Należy tylko zapewnić odpowiednie odsprzężenie zasilania części cyfrowej przetwornika do masy analogowej.

Opracował Mieczysław Kręciejewski