Projektowanie ścieżek masy w obwodach elektrycznych

Rys. 1. Symbol oznaczający masę obwodów cyfrowych

W praktyce inżynierskiej spotkać się można najczęściej z następującymi rodzajami masy obwodu elektrycznego, oznaczanymi odmiennymi symbolami na schematach elektrycznych:

• masa analogowa,
• masa układów cyfrowych,
• uziemienie ochronne.

Z definicji masa to punkt w obwodzie elektrycznym, którego potencjał jest potencjałem odniesienia przy ustalaniu napięcia wszystkich innych punktów obwodu. Przyjmuje się, że napięcie w punkcie masy wynosi 0 V, zaś napięcie mierzone w każdym innym punkcie układu to różnica pomiędzy potencjałem tego punktu a punktu masy.

W rzeczywistości terminy definiujące różne rodzaj masy w układzie nie odnoszą się do odmiennych punktów odniesienia, a jedynie różnych ścieżek powrotu sygnału - poszczególne sygnały (np. analogowy i cyfrowy) mogą wracać do wspólnego punktu masy odseparowanymi ścieżkami, przede wszystkim po to, by zmniejszyć poziom wzajemnych zakłóceń.

Masa układów cyfrowych

Układy cyfrowe są zazwyczaj mniej narażone na działanie zakłóceń elektrycznych niż układy analogowe, łączy się je zatem jedną płaszczyzną masy, wspólną dla całego obwodu. W przypadku zasilania obwodu prądem stałym płaszczyzna ta połączona jest zazwyczaj bezpośrednio z ujemnym zaciskiem zasilacza, będącym jednocześnie potencjałem odniesienia. Najpopularniejszy sposób oznaczania tego typu masy na schematach elektrycznych przedstawiono na rysunku 1.

Masa analogowa

Rys. 2. Typowe oznaczenie masy analogowej na schemacie

O poprawnej pracy urządzenia wszystkie lub wybrane układy analogowe w obwodzie powinny mieć zapewnioną odrębną ścieżkę powrotu sygnału, starannie odizolowaną od potencjalnych źródeł zakłóceń, gwarantującą niezmienność wartości potencjału elektrycznego w punkcie odniesienia. W tym celu niektóre układy mieszane (analogowo-cyfrowe) wyposażone są w dwa rodzaje wyprowadzeń masy - analogową oraz cyfrową.

Ich separacja jest konieczna, ponieważ przez wyprowadzenie masy cyfrowej przepływają prądy powrotne o znacznym natężeniu, związane z normalną pracą układów cyfrowych. Ich obecność powoduje fluktuacje wartości potencjału elektrycznego w punkcie wyprowadzenia, to zaś, w przypadku połączenia tych dwóch rodzajów mas w pobliżu wyprowadzeń, mogłoby całkowicie uniemożliwić poprawną pracę układów analogowych. Masę analogową oznacza się zazwyczaj symbolem pokazanym na rysunku 2.

Uziemienie ochronne

Jeśli obudowa urządzenia wykonana jest z przewodnika, łączy się ją z przewodem uziemiającym instalacji elektrycznej, aby zapewnić możliwość odprowadzenia nadmiaru ładunku elektrycznego gromadzącego się na powierzchni. Pozwala to zabezpieczyć użytkownika przed porażeniem prądem elektrycznym.

W sytuacji braku takiego uziemienia przypadkowe zwarcie jednego z przewodów zasilających z obudową mogłoby stanowić śmiertelne zagrożenie. Uziemienie jest elementem zabezpieczającym, nie ma jednak żadnej funkcji użytkowej - jego obecność nie wpływa na normalną pracę urządzenia. Symbol oznaczający uziemienie przedstawiono na rysunku 3.

Rozmieszczanie odrębnych płaszczyzn masy

Rys. 3. Oznaczenie uziemienia ochronnego

Obecność w jednym układzie kilku płaszczyzn masy nasuwa pytanie o sposób ich łączenia, a także o zasadność takiego działania. Należy uświadomić sobie nadrzędny cel, dla którego rozdziela się masy układu, a celem tym prawie zawsze jest ochrona wrażliwych układów analogowych przed zakłóceniami związanymi przede wszystkim z generowanymi w układach cyfrowych prądami powrotnymi o znacznym natężeniu.

Nie jest zatem konieczne tworzenie odseparowanych płaszczyzn masy (jak przekonamy się w dalszej części tekstu, może to przynieść wiele negatywnych efektów), a raczej zapewnienie bezpiecznej ścieżki powrotu sygnału analogowego do wspólnej płaszczyzny odniesienia.

Prowadzenie sygnałów analogowych

Rys. 4. Przykład układu (przetwornik analogowo-cyfrowy) mającego oddzielne wyprowadzenia dla masy analogowej oraz cyfrowej

Sygnał analogowy jest znacznie bardziej wrażliwy na jakiekolwiek zakłócenia niż sygnał cyfrowy, zatem musi podlegać dużo staranniejszej ochronie, której jednym z przejawów jest właśnie zapewnienie odpowiedniej ścieżki powrotu, a w rezultacie stabilnej wartości potencjału odniesienia.

Na rysunku 4 przedstawiono diagram blokowy typowego układu scalonego przetwarzającego sygnały mieszane, mającego oddzielne wyprowadzenia dla dwóch różnych rodzajów masy. Odpowiednia obsługa takiego układu to typowy problem spotykany w praktyce konstruktora elektronika.

Na diagramie czerwoną linią zaznaczono obwód o krytycznym znaczeniu dla poprawnej pracy analogowej części układu. Właśnie ten fragment systemu musi podlegać szczególnej ochronie przed szkodliwym wpływem zewnętrznych źródeł zakłóceń. By uświadomić sobie celowość rozdzielenia masy cyfrowej od analogowej, warto oszacować spadek napięcia na wyprowadzeniach masy generowany przez prądy powrotne pochodzące od układów cyfrowych.

Zakładając, że przedstawiony na rysunku układ to 12-bitowy przetwornik A/C pracujący z wysokim poziomem logicznym 2,5 V, można przyjąć, że natężenie prądów powrotnych podczas normalnej pracy układów cyfrowych może osiągać ok. 200 mA. Ten szybkozmienny sygnał przepływa przez elektrody wyprowadzeń do ścieżki umieszczonej na płytce PCB.

Niezerowa impedancja wyprowadzenia powoduje powstanie różnicy potencjałów pomiędzy punktem masy na płytce PCB a punktem masy na powierzchni układu scalonego - wartość tej różnicy może sięgać ok. 100 mV. Taka różnica potencjałów jest dopuszczalna w przypadku układów cyfrowych, całkowicie uniemożliwia jednak poprawną pracę części analogowej. Rozdzielczość 12-bitowego przetwornika A/C pracującego w zakresie 0-2 V wynosi 0,5 mV, - fluktuacje potencjału mas pogarszałyby jego dokładność blisko 200-krotnie.

W dokumentacji układów podobnych do przedstawionego na rysunku 4 producenci umieszczają zazwyczaj zalecenia odnośnie do rozmieszczenia masy analogowej oraz cyfrowej. Najczęstszą wskazówką jest podział płaszczyzny masy na dwie części, połączone w jednym punkcie. Rozwiązanie takie nie tylko nie dotyka właściwej istoty problemu (ochrony ścieżki powrotnej sygnału analogowego przed zakłóceniami), lecz może również wywoływać niepożądane skutki uboczne.

Sygnały przepływające z jednej płaszczyzny masy do drugiej nie mają ścieżki powrotnej, muszą zatem znaleźć jakąś inną drogę propagacji, np. poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. W efekcie można spodziewać się kłopotów z zakłóceniami EMI oraz kompatybilnością elektromagnetyczną urządzenia.

W przykładzie przedstawionym na rysunku 4, a także w większości rzeczywistych sytuacji, zakłócenia wytwarzane przez źródła wewnętrzne (stanowiące część układu) mogą przenikać do obwodu analogowego dwoma głównymi drogami. Pierwsza z nich to pojemnościowe lub indukcyjne sprzężenie którejś ze ścieżek obwodu ze zbyt blisko położoną sąsiednią ścieżką (bezpieczna odległość pomiędzy ścieżkami zależy w głównej mierze od poziomu i częstotliwości przepływających przez nie sygnałów), zaś druga wynika ze współdzielenia ścieżki powrotnej do masy z innym sygnałem.

Jeśli źródło sygnału analogowego nie znajduje się na płytce drukowanej, najlepszym sposobem na neutralizację obu potencjalnych źródeł zagrożeń jest wykorzystanie ekranowanego przewodu do bezpośredniego połączenia źródła sygnału z właściwymi polami wyprowadzeń układu scalonego. W takim przewodzie znajdujący się wewnątrz przewodnik połączony jest z wejściem, zaś ekranowanie z masą układu.

Jeśli zarówno źródło, jak i odbiornik sygnału znajdują się na tej samej płytce drukowanej, należy uważnie poprowadzić ścieżki obwodu. Sprowadza się to zazwyczaj do takiego rozmieszczenia komponentów obwodu oraz prowadzenia ścieżek, by uniknąć przepływu prądów powrotnych generowanych przez inne układy. Należy pamiętać o zachowaniu bezpiecznej odległości pomiędzy ścieżkami chronionego obwodu a innymi liniami - w celu lepszej ochrony można również zastosować ścieżki ekranujące.

Ochrona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi

Wbrew obiegowej opinii podział płaszczyzny masy na analogową i cyfrową w żaden sposób nie poprawia poziomu ochrony układu przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Co więcej, działanie takie może obniżyć kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia poprzez zwiększenie mocy generowanych przez nie zakłóceń.

Działania prowadzące do skutecznego obniżenia poziomu niepożądanego promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez urządzenie podzielić można na dwie kategorie - minimalizację mocy promieniowania oraz powtórne przechwytywanie już wypromieniowanej energii. Do pierwszej grupy należą zabiegi związanie z odpowiednim prowadzeniem ścieżek, eliminacją pętli masy oraz niechcianych anten (np. wiszące w powietrzu ścieżki), a także odpowiednim doborem komponentów oraz złączy urządzenia.

Druga grupa to przede wszystkim działania dotyczące ekranowania - zarówno pojedynczych przewodów, jak i całego urządzenia. Wprowadzenie dodatkowej płaszczyzny masy nie przynosi żadnych pozytywnych efektów w tym zakresie - nie obniża poziomu emisji elektromagnetycznej ani tym bardziej nie przechwytuje wypromieniowanej energii.

Na poziom ochrony elektromagnetycznej nie wpływa również obecność (lub jej brak) uziemienia ochronnego. Wbrew obserwowanym niekiedy praktykom, nie ma potrzeby łączenia uziemienia z masą obwodu, a w niektórych przypadkach jest to nawet wysoce niewskazane, ponieważ może być przyczyną błędnej pracy urządzenia.

Podsumowanie

Wydaje się, że niektóre powszechnie stosowane praktyki związane z projektowaniem płaszczyzny masy obwodu oparte są przede wszystkim na obiegowych opiniach, nie zaś na rzeczowych argumentach. Warto mieć świadomość, że podczas projektowania ścieżek masy najważniejszym zagadnieniem jest ochrona wrażliwych obwodów, m.in. przez zabezpieczenie ich przed oddziaływaniem prądów powrotnych pochodzących od innych układów - osiągnięcie tego w zdecydowanej większości przypadków nie wymaga stosowania podziału płaszczyzny masy. Wprowadzenie takiego rozwiązania może w dodatku przynieść negatywne efekty uboczne w postaci zakłóceń elektromagnetycznych.

W przypadkach, w których podział płaszczyzny masy jest nieunikniony, warto zapewnić separację galwaniczną pomiędzy rozdzielonymi płaszczyznami, np. poprzez zastosowanie układów optoelektronicznych lub transformatorów. Dzięki temu sygnał przepływający pomiędzy dwoma obszarami masy nie wymaga obecności ścieżki powrotnej.

Damian Tomaszewski