10 (Для лаб по платам), страница 5

Этот способ обычно называется "многоточечным"заземлением и его схема показана на рис. 10.15.2. Заземляющая поверхность может быть подключена по схеме "звезды" к единственнойв системе точке заземления (обычно вблизи источника питания).КОНЦЕПЦИЯ МНОГОТОЧЕЧНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯVAПЕЧАТНАЯПЛАТАVDVAПЕЧАТНАЯПЛАТАVDЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬЗАЗЕМЛЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬСОЕДИНЕНИЕЗАЗЕМЛЕНИЯС ШАССИМАТЕРИНСКАЯПЛАТАИСТОЧНИКПИТАНИЯVAVDРис. 10.15Первый подход чаще всего используется в чисто цифровых системах, но может бытьиспользован и в системах со смешанными сигналами, если токи заземления цифровыхсхем достаточно малы и распределены на больших площадях. Низкий импедансзаземления обеспечивается на всем пути по плате, по объединяющей плате и далее помонтажной панели (шасси).

Однако очень важно поддерживать хорошее электрическоесоединение в местах, где "земля" связана с металлической монтажной панелью. Для этогонеобходимы металлические винты-"саморезы" или шайбы с насечками. Особое внимание22aсоединению должно быть уделено там, где в качестве материала монтажной панелииспользуется алюминий, т.к. его поверхность проявляет себя как изолятор.Второй подход (заземление "звездой") часто используется в высокоскоростных системах ссмешанными сигналами, имеющих отдельные аналоговую и цифровую системызаземления, и ниже обсуждается более подробно.РАЗДЕЛЕНИЕ АНАЛОГОВОГО И ЦИФРОВОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯВ системах со смешанными сигналами с большим числом цифровых схем весьмажелательно физически отделить чувствительные аналоговые компоненты от шумныхцифровых компонентов. Также пойдет на пользу использование раздельных заземляющихповерхностей для аналоговых и цифровых схем.

Эти поверхности не должныперекрываться для того, чтобы уменьшить емкостную связь между ними. Раздельныеаналоговая и цифровая заземляющие поверхности продолжаются на объединительнойплате с использованием или заземляющей поверхности материнской платы, или"экранирующего заземления", которое выполняется при помощи проводов заземления,чередующимися в разъёме с сигнальными проводами.

На структурной схеме, показаннойна рис.10.16, видно, что две заземляющих поверхности на всем своем протяжении идутотдельно до точки заземления "звездой", которая обычно располагается около источникапитания. Соединение заземляющих поверхностей и источника питания в точке заземления"звездой" должно быть выполнено с помощью многочисленных шин или толстогомедного жгута для минимизации сопротивления и индуктивности.

Пара встречнопараллельных диодов Шотки имеется на каждой печатной плате для предотвращенияслучайного появления постоянного напряжения между двумя заземляющими системами вмомент, когда платы вставляются или вынимаются. Это напряжение не должнопревышать 300 мВ, чтобы избежать выхода из строя ИС, которая подключена как каналоговой, так и к цифровой заземляющим поверхностям. Предпочтительноиспользовать диоды Шотки, так как они имеют малую емкость и малое падениенапряжения в режиме прямого тока. Низкая емкость позволяет избежать связи попеременному току между аналоговой и цифровой заземляющими поверхностями.

ДиодыШотки начинают проводить при прямом напряжении около 300 мВ, и если ожидаютсябольшие токи, может понадобиться несколько параллельно соединенных диодов. Внекоторых случаях вместо диодов Шотки могут быть использованы дросселис ферритовыми бусинами, однако они вызывают появление паразитных контуров сзамыканием через "землю" по постоянному току, которые могут вызвать проблемы впрецизионных системах.23aРАЗДЕЛЕНИЕ АНАЛОГОВОЙ И ЦИФРОВОЙЗАЗЕМЛЯЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙПЕЧАТНАЯVDПЛАТААНАЛОГОВАЯЦИФРОВАЯЗАЗЕМЛЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬПОВЕРХНОСТЬПЕЧАТНАЯVDПЛАТАЦИФРОВАЯАНАЛОГОВАЯЗАЗЕМЛЯЗАЗЕМЛЯЮЩАЯЮЩАЯПОВЕРХНОСТЬПОВЕРХНОСТЬVAVADADAЦИФРОВАЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬОБЪЕДИНИТЕЛЬНАЯПЛАТААНАЛОГОВАЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬИСТОЧНИКПИТАНИЯТОЧКАЗАЗЕМЛЕНИЯ"ЗВЕЗДОЙ"VAVDРис.

10.16Обязательно нужно обеспечить сопротивление заземляющих поверхностей как можноменьшим на всем пути к точке заземления "звездой". Переменное или постоянноенапряжение более чем 300 мВ между двумя заземляющими поверхностями может нетолько вывести из строя ИС, но и вызвать ошибочное включение логического элемента и,возможно, переход в фиксированное состояние.ЗАЗЕМЛЕНИЕ И РАЗВЯЗКА ИС СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИ ИНЕБОЛЬШИМИ ЦИФРОВЫМИ ТОКАМИЧувствительные аналоговые компоненты, такие как усилители и источники опорногонапряжения, всегда подключаются и развязываются на аналоговой заземляющейповерхности. АЦП и ЦАП (и другие ИС со смешанными сигналами) с небольшимицифровыми токами обычно должны рассматриваться как аналоговые компоненты итакже заземлены и развязаны на аналоговой заземляющей поверхности.

На первыйвзгляд это может показаться несколько противоречивым, т.к. преобразователь имеети аналоговый и цифровой интерфейс, и он имеет выводы, обычно обозначенные каканалоговое заземление (AGND) и цифровое заземление (DGND). Схема, показанная нарисунке 10.17 поможет разобраться с этим кажущимся затруднением.24aПРАВИЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ МИКРОСХЕМЫ СОСМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИ С НЕБОЛЬШИМИЦИФРОВЫМИ ТОКАМИДРОССЕЛЬ С ФЕРРИТОВОЙ БУСИНКОЙVAVDADVALPLPCПАРАЗ.RPAIN/OUTRPАНАЛОГ.СХЕМАARPLPЦИФР.СХЕМАRБУФЕРИЛИРЕГИСТРCВХ = 10 пФRPIDAGNDAДАННЫЕШИНАДАННЫХBCПАРАЗ.IAСМ.ТЕКСТКОРОТКОЕСОЕДИНЕНИЕLPDGNDVШУМАAA = АНАЛОГОВАЯ ЗАЗЕМЛ.

ПОВЕРХНОСТЬDD = ЦИФРОВАЯ ЗАЗЕМЛ. ПОВЕРХНОСТЬРис. 10.17Внутри микросхем, которые имеют как аналоговую так и цифровую схемы, напримерАЦП или ЦАП, "земли" обычно разделяются для предотвращения влияния цифровыхсигналов на аналоговую часть. На рис.10.17 показана упрощенная модельпреобразователя. Проектировщик ИС ничего не может поделать с индуктивностью исопротивлением соединений, идущих от контактов на кристалле к выводам корпуса ИС,только оставить их как есть. Цифровые токи, имеющие резкие перепады, создаютнапряжение в точке В, которое неизбежно передается в точку А аналоговой схемы черезпаразитную емкость СПАРАЗ.

К тому же неизбежно присутствует паразитная емкостьмежду каждым выводом корпуса ИС, равная приблизительно 0.2 пФ. И задачапроектировщика ИС – заставить микросхему работать, несмотря на это. Однако для того,чтобы предотвратить дальнейшее влияние, выводы AGND и DGND должны бытьсоединены с аналоговой заземляющей поверхностью кратчайшим путем.

Любоедополнительный импеданс в соединении DGND с "землей" приведет к образованиюдополнительного цифрового шума в точке В, что, в свою очередь, наведетдополнительный цифровой шум в аналоговой схеме за счет паразитной емкости.Обратите внимание, что при соединении DGND с цифровой заземляющей поверхностьюнапряжение шума VШУМА будет прикладываться между выводами AGND и DGND, чтоприведет к неудаче!Обозначение вывода микросхемы как "DGND" говорит о том, что этот вывод связан сцепью заземления цифровой части ИС. Но это не подразумевает, что этот выводдолжен быть соединен с цифровым заземлением системы.25aКонечно, такая компоновка может привести к появлению небольшого цифрового шума ваналоговой заземляющей поверхности.

Но эти токи обычно достаточно малы, и могутбыть минимизированы, если гарантировать минимальную нагрузку на выходепреобразователя (обычно преобразователь и проектируется с маломощными выходами).Уменьшение нагрузки на цифровых выходах преобразователя, кроме того, сделаетлогические переходы сигнала на выходе преобразователя свободными от переходныхпроцессов и минимизирует цифровые токи переключения, и таким образом уменьшитлюбое возможное влияние на аналоговую часть преобразователя. Вывод питанияцифровой части (VD) может быть дополнительно изолирован от источника аналоговогопитания при помощи высокодобротного дросселя с ферритовой бусиной, как показано нарис.10.17.

Внутренние импульсные цифровые токи преобразователя будут идти понебольшому контуру от VD через конденсатор развязки к DGND (этот путь показан насхеме толстой линией). Импульсные цифровые токи, таким образом, не появятся внеконтура на аналоговой заземляющей поверхности, а будут циркулировать в контуре.Развязывающий конденсатор на выводе VD должен быть установлен как можно ближек преобразователю, чтобы минимизировать паразитную индуктивность. В качестведанных конденсаторов должны быть применены низкоиндуктивные керамическиеконденсаторы, обычно величиной от 0.01 до 0.1 мкФ.ВНИМАТЕЛЬНО ОТНЕСИТЕСЬ К ЦИФРОВОМУ ВЫХОДУ АЦПВсегда полезно подключать буферный регистр к выходу преобразователя (как показано нарис.

10.17) с целью изолировать цифровые цепи преобразователя от шумов,присутствующих на шине данных. Данный регистр также служит для минимизациинагрузки на цифровых выходах преобразователя и действует как экран между этимицифровыми выходами и шиной данных. Даже несмотря на то, что многие преобразователиимеют входы/выходы с тремя состояниями, применение подобного изолирующегорегистра остается оправданным. В некоторых случаях для обеспечения большей развязкиможет быть желательным добавление еще одного буферного регистра на аналоговойзаземляющей поверхности после выхода преобразователя.Последовательно включенный резистор (обозначенный символом R на рис. 10.17) междувыходом АЦП и входом буферного регистра помогает минимизировать цифровыеимпульсные токи, которые могут повлиять на качество работы преобразователя.