logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Co gdy masa nie jest masą - o tym jak układy asymetryczne stają się różnicowe

ghost666 10 Lip 2014 11:59 4050 0
  • Masa w systemie elektronicznym, oznaczana bardzo często z angielskiego jako GND, uważana jest za niepodważalny i niezmienny punkt odniesienia dla całego układu, w związku z czym różne elementy na schemacie podłączane są do masy, zakładając iż wszystkie symbole GND w układzie oznaczają ten sam potencjał w rzeczywistym układzie, na płytce drukowanej. W rzeczywistości przepływ prądu przez wylewkę masy, powoduje, z uwagi na jej niezerową impedancję, występowanie różnic potencjałów pomiędzy różnymi punktami wylewki masy na płytce drukowanej. Stałoprądowe układy asymetryczne są niezwykle czułe na takie fluktuacje potencjału masy. Efekt ten powoduje iż układ asymetryczny zachowuje się efektywnie jak układ różnicowy, co w konsekwencji przekłada się na błędy wyjściowe i niedokładną pracę układu.

    Rozważmy standardowy układ wzmacniacza nieodwracającego, oparty o wzmacniacz operacyjny. Schemat tego układu pokazano poniżej. W sytuacji gdy wszystkie symbole masy - przy napięciu wejściowym VIN, oporniku RI - są na tym samym potencjale układ pracuje z wzmocnieniem równym 1+RF/RI, co znamy doskonale z ksiązek. Oznacza to że przy napięciu wejściowym 100 mV układ zaprezentowany na zdjęciu na wyjściu będzie miał 1 V, gdyż wzmocnienie wynosi 1+9/1, czyli 10 V/V.

    Co gdy masa nie jest masą - o tym jak układy asymetryczne stają się różnicowe


    Na schemacie poniżej zaprezentowano lekko zmodyfikowany układ z pierwszej ilustracji. Dodano na nim źródło napięciowe VGND2, modelujące różnicę potencjałów masy pomiędzy poszczególnymi punktami. Źródło umieszczone jest pomiędzy idealną masą a opornikiem RI, normalnie podłączonym do masy. Wynikiem tego jest zmieniona funkcja przejścia wzmacniacza, która uwzględnić musi napięcie VGND2 pomnożone przez wzmocnienie odwracającej pętli sprzężenia zwrotnego. W przypadku takiego układu wzmocnienie to wynosi -RF/RI, czyli dla zaprezentowanego układu -9 V/V. Dodanie 10 mV potencjału pomiędzy masę a RI spowoduje zmniejszenie napięcia wyjściowego o 90 mV, do 0,91 V. Oznacza to błąd wyjścia, w porównaniu z idealnym przypadkiem 1 V, równy 9%.

    Co gdy masa nie jest masą - o tym jak układy asymetryczne stają się różnicowe


    W kolejnym zaprezentowanym układzie (niżej) dodano kolejne źródło napięciowe pomiędzy terminal wyjściowy układu a jego masę. Umieszczone tam źródło napięciowe VGND3 bezpośrednio ma wpływ na pracę układu, gdyż jego napięcie będzie się w prosty sposób odejmowało od napięcia wyjściowego. Załóżmy iż napięcie źródła VGND3 wynosi 20 mV. Przełoży się to na zmniejszenie napięcia wyjściowego o tą wartość do 890 mV, co odpowiada sumaryczenmy błędowi 11% w porównaniu do idealnego wyjścia 1 V.

    Co gdy masa nie jest masą - o tym jak układy asymetryczne stają się różnicowe


    Opisane powyżej efekty są tylko przykładami pokazującymi szerszy problem. Można ich uniknąć stosując odpowiednie techniki prowadzenia masy, pozwalające utrzymać potencjały masy wejścia, wyjścia i elementów wewnątrz układu na tym samym potencjale. Jednym z najlepszych rozwiązań jest skupianie czułych pól masy obok siebie, minimalizując różnicę potencjałów. Sugerowaną topologią łączenia pól masy jest topologia gwiazdy. Zmniejsza to impedancję ścieżek pomiędzy poszczególnymi terminalami na potencjale masy i w konsekwencji zmniejsza różnicę potencjałów pomiędzy nimi. Poniżej zaprezentowano płytkę drukowaną w której wszystkie opisywane w powyższym, artykule punkty masy znajdują się blisko siebie, co w konsekwencji powoduje iż różnice potencjałów są znikome.

    Co gdy masa nie jest masą - o tym jak układy asymetryczne stają się różnicowe


    http://www.planetanalog.com/author.asp?section_id=3117&doc_id=563203&

    Od siebie, jako tłumacza, dodam tylko że zjawisko powstawania potencjałów w wylewce masy zostało omówione w jednym z tłumaczonych przeze mnie artykułów w ramach cyklu o poprawnym prowadzeniu masy. Cały cykl znaleźć można tutaj - https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2334325.html#11160928, a wspominaną część o różnicach potencjałów tutaj - https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2351309.html Warto zwrócić uwagę na różnice potencjałów wyznaczoną w tamtym przykładzie - 0,7 mV/cm i różnicę o której mówimy w powyższym przykładzie - 10 mV czy 20 mV. Jednakże nadal różnica 0,7 mV/cm w przypadku czułych układów elektronicznych może mieć znaczenie. Rozważmy jeszcze raz powyższy układ, zakładając że odległość pomiędzy wejściami wynosi 10 cm, a terminal masy opornika w pętli sprzężenia zwrotnego jest w połowie tej odległości. VGND2 w tym przypadku wyniesie 3,5 mV, a VGND3 równe będzie 7 mV. Przełoży się to na zmniejszenie napięcia wyjściowego o 9*3,5 mV + 7 mV = 38,5 mV czyli prawie 4%. Jest to spora wartość dla wielu układów analogowych.

    Kolejnym efektem, którego omawiać tutaj już nie będę, jest fakt iż potencjał masy niekoniecznie musi być stały w czasie. Różnica potencjałów powodowana jest płynącym prądem - w przypadku cytowanego artykułu - 15 A, pobieranym przez końcówkę mocy jakiegoś układu. Jeżeli prąd ten nie jest stały, a zmienny to i potencjały masy pływają w czasie, co przekłada się na fakt iż te ~40 mV nie jest stałoprądowym błędem, a staje się szumem - bardzo dużym szumem! Stosunek sygnału do szumu (SNR) takiego sygnału wynosi zaledwie 28 dB! Pamiętajmy zatem o tym podczas projektowania płytek drukowanych do układów.

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA