Гул на 50 Гц в динамиках появляется именно тогда, когда о нём меньше всего думают. Схема собрана, всё работает, а потом включаешь питание, и сквозь музыку пробивается низкий монотонный гудок. Тихий, но настойчивый. Такой, что хочется найти источник и устранить его раз и навсегда. Нередко в этот момент начинают менять блок питания, проверять конденсаторы, перепаивать разъёмы. Но причина сидит глубже, в самой топологии земли на печатной плате.
Земля в аудиосхеме это не просто общий провод. Это несущая конструкция всего схемотехнического здания. И если она разведена неправильно, любые токи от цифровых узлов, силовых цепей или источника питания начинают гулять по земляному полигону, создавая разность потенциалов между точками, которые обязаны иметь один и тот же опорный уровень. Результат слышен немедленно.
Откуда берётся гул и что происходит внутри платы
Паразитный контур заземления возникает тогда, когда две точки схемы соединены с землёй через разные пути с разным сопротивлением. По замкнутому контуру течёт ток, который наводит напряжение, и это напряжение подмешивается в сигнальную цепь. В аудиотракте даже несколько милливольт на земляной шине достаточно, чтобы гул стал отчётливым и мешающим.
На двусторонней плате со сплошным земляным полигоном по всей второй стороне ситуация внешне выглядит идеально. Сопротивление медного полигона мало, переходные отверстия через каждые несколько миллиметров связывают оба слоя, мощные цепи и чувствительный входной каскад делят один общий массив меди. Но именно здесь и прячется проблема. Токи силовых и цифровых цепей выбирают путь наименьшего сопротивления через полигон, и этот путь нередко проходит под аналоговым каскадом с усилением 60-80 дБ. Несколько миливольт разности потенциалов, наведённой на земле под входным операционным усилителем, усиливаются вместе с полезным сигналом, и на выходе получается тот самый гул, с которым так трудно бороться.
Физически это выглядит так. Источник питания потребляет импульсный ток с частотой преобразования. Микроконтроллер переключает шины данных на частотах в мегагерцы и выше, при каждом переключении через земляной провод протекают короткие, но ёмкие импульсы тока. Сумма этих токов, протекающих через общий земляной полигон, создаёт разность потенциалов между входом и выходом усилительного каскада. Аналоговая схема воспринимает эту разность как входной сигнал и добросовестно усиливает её.
Принцип разделения земель и почему одного полигона недостаточно
Решение, которое применяют опытные разработчики смешанных схем, состоит в физическом разделении земляного полигона на несколько функциональных островков. Аналоговая земля, AGND, охватывает входные каскады, операционные усилители, АЦП и ЦАП с их аналоговыми входами. Цифровая земля, DGND, обслуживает микроконтроллер, логику, память, интерфейсные буферы. Силовая земля, PGND, принимает возвратные токи от блока питания, силовых транзисторов и других источников больших импульсных токов.
Каждый из этих островков не пересекается с соседним. Места пересечения аннулируют всю изоляцию через ёмкостную связь между перекрывающимися участками медного полигона. Распределённая ёмкость между двумя перекрывающимися полигонами на расстоянии 0,1 мм в стеклотекстолите FR4 составляет порядка 1 пФ на квадратный сантиметр, и уже начиная с нескольких мегагерц это создаёт заметную связь по переменному току между, казалось бы, разделёнными зонами.
Главный вопрос, который задают при виде раздельных полигонов, это как их соединить между собой. Ответ однозначный: в одной точке, и только в одной. Эта точка называется опорной точкой системы или точкой "звезды". Через неё все земляные острова сходятся вместе, и именно здесь располагается общая точка источника питания. Если объединение выполнено в двух точках, между ними немедленно образуется замкнутый контур, по которому потечёт ток, и проблема вернётся.
Звездообразное заземление на двусторонней плате
Метод звездообразного заземления на двусторонней плате реализуется чуть сложнее, чем на многослойной, где под землю отводится целый внутренний слой. Тем не менее, грамотная топология даёт отличный результат даже при двух медных слоях.
Второй слой платы занимает земляной полигон, разбитый на три области. Границы между ними проведены по линиям, которые соответствуют функциональным зонам компонентов на первом слое. Аналоговые компоненты располагаются над аналоговым полигоном, цифровые над цифровым, силовые над силовым. Никаких исключений из этого правила быть не должно, потому что каждое нарушение это новый путь для паразитного тока.
Сигнальные проводники на первом слое тоже подчиняются этой логике. Аналоговые дорожки проходят исключительно над аналоговым полигоном. Если аналоговая дорожка пересекает область цифрового полигона, ток возврата под этой дорожкой вынужден огибать границу зон, что создаёт петлю и нежелательную индуктивность. На частотах от сотен килогерц это уже чувствительная проблема.
Точка объединения всех трёх полигонов физически оформляется как площадка со сквозными отверстиями, где жирная дорожка или отрезок шины от каждого полигона сходится в одну медную точку. Сюда же подходит минусовой вывод основного конденсатора фильтра питания. Сопротивление этого соединения должно быть минимальным, поэтому здесь не экономят на ширине проводника.
Роль переходных отверстий и ширины дорожек
Переходные отверстия, которые связывают первый слой со вторым, в земляных цепях ставятся как можно ближе к каждому компоненту, которому нужна земля. Одиночное переходное отверстие диаметром 0,3 мм вносит индуктивность порядка 0,5-1 нГн. На частоте 100 МГц это уже 0,3-0,6 Ом индуктивного сопротивления, что для цифровых цепей с быстрыми фронтами вполне ощутимо. По этой причине байпасные конденсаторы микросхем располагают максимально близко к выводам питания и земли, а переходные отверстия ставят прямо рядом с площадками конденсатора, не уводя их в сторону.
Ширина дорожек в земляных цепях имеет прямое отношение к сопротивлению и к индуктивности. Дорожка шириной 1 мм и длиной 20 мм имеет постоянное сопротивление около 0,3 мОм и индуктивность около 15 нГн. Широкий проводник в 3 мм при той же длине снижает индуктивность примерно втрое. Именно поэтому рекомендация использовать широкие земляные шины между отдельными полигонами и точкой объединения, а не тонкие сигнальные дорожки, имеет физическое обоснование, а не является эстетическим предпочтением.
Ошибочный приём, который встречается в любительских платах, состоит в прокладке земляного соединения в виде кольца по периметру платы. Замкнутый контур земли обладает значительной индуктивностью и образует петлю, которая чутко реагирует на переменные магнитные поля от трансформатора источника питания или от длинных силовых дорожек. Там, где начинающий разработчик видит красивое толстое кольцо, опытный инженер видит антенну, принимающую всё подряд. Разрыв этого кольца в одном месте сразу устраняет паразитную петлю.
Ферритовые бусины и нулевые резисторы как инструменты изоляции
Ещё один инструмент, который позволяет гибко управлять земляной топологией на двусторонней плате, это ферритовые бусины (ferrite bead) и нулевые резисторы. Они позволяют соединить два земляных полигона в выбранной точке с контролируемым импедансом.
Нулевой резистор, 0R в типоразмере 0402 или 0603, выступает как управляемая перемычка. Его можно впаять или выпаять, экспериментируя с топологией земли уже на готовой плате. Это ценно при отладке: можно в реальном железе проверить несколько вариантов разводки без перетравки платы.
Ферритовая бусина ведёт себя иначе. На постоянном токе и низких частотах она прозрачна, сопротивление её близко к нулю. Но начиная с нескольких мегагерц импеданс бусины вырастает, и она начинает работать как частотно-зависимый фильтр. Такая бусина, включённая между цифровой и аналоговой землёй, пропускает низкочастотный ток уравнивания потенциалов, но блокирует высокочастотные помехи от цифровых переключений. Это именно то поведение, которое нужно в смешанных схемах.
Конкретные параметры подбираются по частоте проблемных помех. Бусины с импедансом 600 Ом на частоте 100 МГц, широко доступные в типоразмере 0402, хорошо справляются с блокировкой помех от современных микроконтроллеров с тактовой частотой 48-168 МГц.
Как диагностировать паразитный контур на готовой плате
Бывает, что плата уже разведена и собрана, а гул есть. Переделывать разводку не всегда возможно. В таком случае диагностика начинается с простого измерения: щупы мультиметра в режиме переменного напряжения на минимальном диапазоне прикладываются к двум разным точкам земляного полигона при работающей схеме. Разность потенциалов выше 1-2 мВ между точками, разнесёнными на несколько сантиметров, указывает на протекание значительного тока через полигон.
Осциллограф позволяет увидеть форму этого сигнала. Если это чистая синусоида 50 Гц, виновник силовая цепь. Если это шум с богатым высокочастотным спектром, цифровая часть гонит помехи через общую землю. По форме шума можно точно определить источник и целенаправленно устранить его, не перебирая всё подряд.
Практический способ быстрого улучшения ситуации без переделки платы состоит в следующем. К точке объединения земель кратчайшим путём припаивается отдельный провод сечением 0,5-0,75 квадратных миллиметра, который идёт к минусу основного конденсатора питания. Этот провод создаёт выделенный путь возврата тока для аналоговых цепей в обход загрязнённого цифровыми токами полигона. В половине случаев уже этого достаточно, чтобы гул заметно снизился или пропал вовсе.
Что стоит понять о земле раз и навсегда
Земля в смешанной схеме это не вакуум и не идеальный проводник. Это реальная физическая среда с сопротивлением, индуктивностью и паразитными ёмкостями. Ток всегда ищет путь наименьшего импеданса, и если этот путь проходит через аналоговый каскад с большим усилением, схема честно воспроизведёт всё, что текло по этому пути.
Разделить аналоговую и цифровую землю, свести их в одной точке и дать каждому виду тока свой собственный путь возврата к источнику питания, вот задача, которая решает большинство проблем с гулом в аудиотракте. Эта задача решается на этапе разводки, а не после. Переделывать топологию готовой платы куда труднее, чем заложить правильную архитектуру с первого раза. Те, кто это понял однажды на собственном опыте, больше никогда не начинают разводку с произвольного размещения компонентов.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube