Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2015
Bruce Archambeault
EDN
Несколько лет назад друг сказал мне, что такого понятия, как «напряжение» не существует. Это было для меня настоящим шоком, ведь на лабораторном столе у меня стоял вольтметр. Он пояснил, что в уравнения Максвелла, которые приняты за основу теории всего электромагнетизма (а, значит, и электроники), входят ток, электрическое поле и магнитное поле, но никакого напряжения в них нет. В самом деле, как мы видим из приведенного ниже выражения, «напряжение» является производной величиной. Это суммирование (интегрирование) электрического поля по расстоянию:
В большинстве своем разработчики печатных плат мыслят в таких категориях, как источник постоянного напряжения или напряжение сигнала на проводниках платы. Если мне удастся преподнести свою идею в подобной форме, они примут ее. Тогда мы обсудим, каким образом ток неизменно возвращается к своему источнику на земле.
Наверное, «земля» является самым малопонятным и неправильно используемым термином электротехники. Я упрекаю университеты в том, что обучение инженеров-электриков они начинают с цепей постоянного тока, а затем начинают рассматривать поведение резисторов, индуктивностей и конденсаторов при воздействии переменного тока. Но идеи паразитных и внесхемных эффектов на занятиях обсуждаются редко. Лабораторные занятия, как правило, выполняются с относительно низкочастотными проектами, по-видимому, специально сконструированными так, чтобы паразитные эффекты можно было не принимать во внимание.
Мы учимся читать схемы с этими магическими путями возврата тока, называемыми «земля». На низких частотах физическое расстояние между точками соединения с землей электрически мало. В этом случае вполне допустимо считать, что все земляные узлы подключены к одной точке.
В реальном мире высокочастотных плат физические расстояния между точками подключения земляных узлов нельзя считать электрически малыми, и первостепенное значение приобретают расстояния между узлами. Чтобы вернуться к исходной точке, ток должен пройти определенный путь, на котором могут добавляться потери, совершенно изменяющие свойства земли.
К примеру, давайте возьмем микрополосковую линию, проходящую над металлической плоскостью, но пусть потенциал этой плоскости будет равен 3.3 В (не «земля»). А плоскость земли пусть будет расположена ниже, в следующем слое печатной платы. На схеме будет показано, что ток возвращается в землю, а не в шину 3.3 В. Но, к сожалению, ток не умеет читать схемы, чтобы узнать, где разработчик предписывает ему течь. Он выберет путь с наименьшим импедансом. Для частот, превышающих примерно 1 МГц, это означает путь с наименьшей индуктивностью. Этот путь почти всегда будет таким, чтобы петля тока была минимальной, поэтому ток потечет не в земляной слой, а в слой 3.3 В.
На приведенном ниже рисунке изображены силовые линии электрического поля, окружающего микрополосковую линию. Там, где силовые линии обрываются, потечет ток (внутрь страницы, или наружу). Даже, несмотря на то, что сигнал был подключен относительно слоя земли (не показан на рисунке), расположенного ниже слоя VCC, силовые линии поля обрываются на слое VCC. Возвратный ток всегда течет через ближайший слой, независимо от того, как он назван на схеме.
 |
|
Силовые линии электрического поля, окружающего микрополосковую линию. (Источник: Hyperlynx). |
Каким же образом обратный ток попадает не в тот проводник, который изображен на схеме? Ведь, в конце концов, вывод земли микросхемы мы припаяли к слою земли, а не к слою VCC. Рисунок ниже показывает, что, несмотря на то, что при переключении из «0» в «1» выходной ток драйвера падает, путь сигнала, проходя через емкость входа КМОП микросхемы со стороны нагрузки и через вывод земли со стороны драйвера, мигрирует в проводник VCC, как только возвратный ток оказывается вблизи микросхемы.
 |
 |
| Путь тока при переключении КМОП устройства из «0» в «1». |
Реальный путь миграции («размытая» область возврата тока) зависит от расположения развязывающих конденсаторов, тока смещения через диэлектрик и ряда других факторов. Точный путь для каждого конкретного случая будет различным, и, чтобы достоверно предсказать его, потребуется полный гармонический анализ.
Я люблю говорить, что земля – это место для картофеля и моркови. При работе со средне- или высокочастотными платами концепция земли теряет смысл. Первостепенное значение приобретает путь возврата тока. Инженеры всегда тщательно заботятся о том, чтобы предусмотренная ими сигнальная цепь была подключена надлежащим образом, но на путь возврата тока редко обращают внимание. Препятствия и неоднородности трасс на пути возврата тока являются наиболее распространенной причиной возникновения проблем электромагнитной совместимости, как в части помехоустойчивости, так и в отношении побочных излучений. Кроме того, многие проблемы целостности сигналов могут возникать из-за плохо сконструированных путей возврата токов.
 |
| Земля – это место для моркови и картошки. |
От редакции
Свой комментарий к статье добавил корифей аналоговой электроники, более четверти века консультировавший компанию Analg Devices, Джеймс Брайант:
«Я предпочитаю говорить, что земля – это место, куда попадают хорошие сигналы после того, как они умирают».
