Материал: Электромагнитная совместимость радиотехнических систем. лабораторный практикум. Федоров С.М., Ищенко Е.А

Одним из важнейших пунктов данного исследования является изучение падения напряжений на шине заземления. В любой электрической цепи обязательно присутствует общая точка, но в профессиональной среде принято употреблять термин заземление или GND. Этот термин получен из практики электротехники, когда в качестве контрольной точки часто используется медный шип, буквально вбиваемый в землю. В первом упрощении заземление всегда имеет нулевой потенциал, что позволяет легко определить напряжение на любой из линий, так как это значение является разностью потенциалов между исследуемой шиной и землей. В тоже время, заземление на самом деле не совпадает с линией с нулевым потенциалом, так как провод заземления из соображений безопасности не передает ток в нормальных условиях, однако в профессиональном лексиконе принято объединять эти понятия между собой.

Существование линии с напряжением в 0 В является достаточно интересным вопросом. Теоретически, у каждого элемента есть нулевой выход – заземление, но не стоит забывать, что у любого проводника присутствует конечное ненулевое сопротивление, индуктивность и емкость. Закон Ома четко позволяет понять нам, что на линии заземления c некоторым сопротивлением при протекании тока будет возникать напряжение, а это уже не дает нам линии с номинальным напряжением в 0 В. Только если сопротивление шины составляет 0 Ом мы можем получить идеальную короткозамкнутую линию с нулевым потенциалом.

Для современной электроники довольно часто можно действительно пренебречь возникшим напряжением, так как, в основном, заземление имеет сопротивление порядка нескольких милли Ом при протекающих токах в районе

приводит к уровню напряжения в несколько микровольт, что в миллионы раз ниже напряжения, которое обычно протекает по шинам питания или по сигнальным дорожкам.

Но всегда стоит помнить, что при неграмотной разработке линии заземления возможно возникновение одной или нескольких проблем:

1)ток, протекающий по земле, исчисляется в амперах, а не милии/микроамперах;

2)сопротивление линии заземления составляет Омы, а не миллиОмы;

3)ситуации, когда результирующее падение напряжений на линии не приближается к нулевому уровню.

Ниже на рис. 112 приведен пример того, как суммируются токи и напряжения на линии заземления – линия 0В.

85

Рис. 112. Напряжения и токи на линии заземления

Для примера произведем расчет напряжений на узлах в линии заземления. Для упрощения расчета будем использовать английскую систему мер. Так

Полученными номиналами напряжений можно пренебречь и, соответственно, для существующей электроники напряжение линии можно принять равным 0 В.

При разработке гибридной электроники, которая сочетает в себе цифровые и аналоговые линии, принято создавать две отдельные линии заземления – GND и DGND (цифровая земля). Это делается для того, чтобы очистить цифровую часть схемы от дополнительных шумов, которые возникают при работе аналоговых устройств.

Для выполнения всех описанных выше требований заземление принято реализовывать в виде «полигона» – максимально широкого слоя меди на нижнем слое – для двухслойной печатной платы или на одном из внутренних – для многослойной.

Исследование шин питания в режиме IR-Drop позволяет выявить места с аномальными падениями напряжений и высокими плотностями тока на линии питания и заземления.

2. Задание № 1

На основе закона Джоуля-Ленца (11) и уравнения теплопроводности (13) определить насколько нагреется медный проводник, если все тепло от проте-кающего= 383 Джтокакгполностью∙ К остается в проводнике; удельная теплоемкость меди:

; также определить приведет ли данный нагрев к достижению температуры плавления проводника, если изначальная температура окружаю-

86

щей среды - 20 (293 К), а температура плавления меди - 1085 (1358 К). Все необходимые для расчетов данные приведены в табл. 13.

Примечание: если температура проводника изменится более чем на 1065 градусов, значит медь начнет плавиться.

Полученные результаты занести в отчет.

3. Задание № 2

В соответствии с алгоритмом, который приведен для рис. 112 – уравнения (15), (16), (17), произвести расчет напряжения на∙узлах заземления, если для всех вариантов удельное сопротивление 10 мОм дюйм, длина проводника 1 дюйм, общая схема стекания токов на землю – рис. 113; варианты для расчета – табл. 14.

Рис. 113. Картина линий для задания № 2

87

Полученные расчеты занести в отчет

4. Пример выполнения моделирования IR-Drop

Для моделирования обязательно требуется указать линии питания и заземления; источник питания и потребление активных элементов (IBIS файлы).

Для определения класса шины питания и заземления можно воспользоваться инструментом Auto-Trapping. Далее необходимо произвести определение источника напряжения, для этого компонент BT1 – Battery 1 определить, как I/O устройство –> Model -> источник напряжения (Voltage Source), для примера установлено 5В, в моделировании устанавливается в соответствии с вариантом (табл. 15). Для источника питания можно указать его паразитные характеристики:

1)R-Source – внутреннее сопротивление источника, так как применяется источник напряжения – его внутреннее сопротивление минимально. Если Вам известно внутреннее сопротивление укажите его, если нет – можно использовать стандартное значение 1 мОм;

2)R-pin – сопротивление точки подключения, как правило, мало, можно пренебречь и использовать 0 Ом;

3)L-pin – индуктивность точки подключения, можно пренебречь и установить равными 0 Гн.

Пример настроенного источника питания приведен на рис. 114.

88

Рис. 114. Настроенный источник питания

В IBIS моделях как правило не прописаны уровни потребления тока, поэтому в данном моделировании их можно принять идеальными, то есть просто определив в виде I/O устройства, а напротив входа power необходимо указать ток потребления, который можно посмотреть в даташитах на устройство. В примере для моделирования используется четыре микросхемы, три из которых

– SN74AHC157DBLE – потребление 50 мА (рис. 115,а)); одна – AD8013AN –

потребление 95 мА (рис. 115,б)).

Рис. 115. Настроенные интерактивные компоненты:

а) SN74AHC157DBLE; б) AD8013AN

Определив источник питания, линии заземления и передачи постоянной составляющей, потребителей, можно перейти к настройке моделирования IRDrop (рис. 116).

89