Lata de blindaje, ¿cuál es la forma adecuada?

Question

Me gusta proteger un circuito sensible mío con un escudo. No tengo una foto, pero básicamente, he puesto un rectángulo de tierra de 1 mm de espesor en la capa superior, y voy a colocar el escudo en la parte superior de esta manera que se pondrá en contacto con esta traza de tierra.

Tengo algunas dudas.

1. ¿Estoy creando un bucle de masa al hacer esto?
2. Si no utilizo el apantallamiento, ¿estoy haciendo una antena que captará ruido?
3. ¿Cuál es la práctica recomendada para este tipo de escudo?

En realidad, me gusta conectar el blindaje en un solo punto, pero una persona de hardware que tiene más experiencia insiste en que le gusta tener una tierra rectangular completa expuesta, para que el blindaje pueda tocar tierra en cada punto.

Actualización

He aquí una representación muy rudimentaria.

ACTUALIZACIÓN 2

El ruido está en la salida de nuestro amplificador (transimpedancia). Es de unos 3-5 mV para una amplificación de 300.000. (He cometido errores en el primer diseño y ahora estoy haciendo una placa mejor y el objetivo es reducir el ruido de la primera etapa a menos de 1 mV).

Tengo dos LDOs que toman energía de la batería. Ambos son de alta PSRR . Se trata de un tablero de seis capas con el siguiente apilamiento, S/G/S/G/P/S. Es un apilamiento un poco inusual, pero oculto señales sensibles entre estas tierras. La placa no necesita ser de seis capas, pero esto más tarde se convertirá en parte de otra placa abarrotada, de ahí las seis capas.

Abundan las fuentes de ruido:

• Fuente de alimentación: Lo mitigamos con buenos LDO, filtrado ( filtro pi ), condensadores de derivación, etc. Hasta ahora, en el peor de los casos veo 1-2 mV de ondulación en la alimentación; esto podría ser incluso mi equipo. (No tengo buen equipo, también los amplificadores tienen 50+dB PSRR, así que esto debería tener un impacto mínimo en la salida).

• Ruido de los optoamplificadores: Es el ruido inherente procedente del amplificador. Tengo un opamp de bajo ruido. \$3\ nV/\sqrt{Hz}\$ .

• Fotodiodo: Utilizo un fotodiodo grande, esto capta ruido, inevitable.

• Otras fuentes electromagnéticas: Hemos visto que la placa es muy sensible, el ruido sube en varias situaciones. Además, los esquemas de referencia de algunas fuentes recomiendan el blindaje para reducir las fuentes de ruido externas, por lo que estamos poniendo esta opción de blindaje para probar nuestra próxima placa.

ACTUALIZACIÓN 3

• 3-5 mV existe incluso sin el 10K y el C1. Esencialmente no hay entrada al opamp. Esto me hace pensar que mi diseño no es perfecto.

Aquí está el esquema básico para el amplificador. Puedo añadir más si lo consideramos necesario.

Se han respetado las siguientes normas:

• Completa dos capas de tierra conectadas a través de varios vias .
• La alimentación de 3,3 V (también la alimentación de los opamps) se filtra a través de un condensador de tantalio de 2,2 µF y la red pi (100 kHz roll over) antes de la alimentación del fotodiodo (es decir, antes de la resistencia de 10K). También tenemos condensadores de 1/100/10 nF cerca del 10K. (No estoy seguro de que sea una gran idea, pero es mejor prevenir).
• C1 bloquea la CC (arquitectura acoplada a CA), nosotros sólo amplificamos la CA.
• El amplificador tiene 1/100/10 nF en las patillas de alimentación y polarización (la polarización la proporciona el segundo LDO).
• El condensador de realimentación y la resistencia se colocan lo más cerca posible del amplificador óptico.
• Todas las trazas de señal entre los fotodiodos y los opamps se minimizan; estamos hablando de <2 cm en el peor de los casos.
• Todas las señales consideradas críticas se colocan entre dos capas de tierra.

También otra observación que explica por qué pensamos en el blindaje: Conecto una resistencia a nuestro generador de funciones y se enciende, esto es a través de cables de cocodrilo, (esencialmente una antena de bucle) por lo que sabemos que irradia a la frecuencia que elegimos. Puedo ver la salida del amplificador óptico recogiendo esto muy bien y amplificando. Por lo tanto, es muy claro para mí las fuentes externas entran en juego, de ahí toda la discusión.

Answer 1

Cuando oigo por primera vez que alguien quiere usar un escudo, empiezo diciendo que un escudo es el primer refugio de los incompetentes. Eso no es del todo justo, ya que hay usos legítimos para los blindajes, pero establece el tono para la verdadera discusión, que suele ser sobre las emisiones de RF o la susceptibilidad y, en última instancia, sobre la mala conexión a tierra que está causando el desastre.

Un escudo debe ser el último refugio de los competentes. Los escudos también tienen desventajas significativas, más allá de la obvia cuestión del coste. Los incompetentes creen en el mito de que si encierras algo en una caja conductora, la energía de radiofrecuencia no puede salir ni entrar. Eso es absolutamente falso. Un blindaje también puede convertirse en una antena si no se diseña correctamente.

Antes de poder hablar de tu escudo, primero tenemos que repasar detenidamente tu estrategia de conexión a tierra. Los escudos y la conexión a tierra van estrechamente unidos. Explica cuál es exactamente el problema que crees que resolverá el apantallamiento, cómo está todo conectado a tierra, cuáles son las fuentes de ruido, etc.

En general, una buena conexión a tierra hará más por reducir las emisiones de RF y la susceptibilidad que un blindaje. Si la conexión a tierra se realiza correctamente, un blindaje puede añadir algo más de atenuación de las emisiones. Si la conexión a tierra se hace mal, el blindaje puede convertirse en una antena y empeorar las cosas. Con una buena conexión a tierra, generalmente se quiere que el blindaje encierre el circuito con el menor número de agujeros posible, conectado a la tierra del circuito principal. exactamente en un lugar .

De nuevo, cuéntanos más sobre tu circuito, diseño y problema. Entonces podemos discutir más sobre el escudo si todavía es apropiado.

Añadido tras la actualización 2:

Parece que lo que más te preocupa es que se cuele ruido en la señal analógica. Actualmente tienes un ruido de 3-5 mV en la salida del primer amplificador, pero quieres reducirlo a 1 mV. Dices que se trata de un amplificador de transimpedancia, pero esto se contradice con tu ganancia de 300k, así que todavía no sabemos cuál es realmente tu circuito.

¿De dónde procede la señal de entrada? ¿Cómo llega a la entrada del amplificador? ¿Cuál es su referencia y qué has hecho para asegurarte de que esta referencia está limpia? El verdadero problema es hacer que esta primera etapa de amplificación sea lo menos ruidosa posible. Después, la señal es de mayor nivel y menor impedancia, por lo que no será tan susceptible. ¿Cuáles son las fuentes de ruido externas que llegan a la señal de entrada? ¿Cuánto ruido obtienes de la primera etapa si cortocircuitas su entrada?

Alta PSRR para amplificadores y reguladores de tensión es bueno, pero ten en cuenta que sólo se aplica a bajas frecuencias. Si tienes un circuito especialmente sensible, dale su propio regulador lineal con la fuente de alimentación entradas a ese regulador filtrado. Algo como un inductor de chip seguido de un gran condensador cerámico a tierra delante del regulador suele ser bueno. Tal vez incluso dos de estos en serie. El punto es eliminar las altas frecuencias en la alimentación de tal manera que la electrónica activa en el regulador puede manejar el resto. Me gustaría ver los filtros rodar a 10 kHz o menos. También hay que mantener la alimentación sin filtrar alejada de la señal de entrada para evitar la captación capacitiva. Las trazas de protección pueden ayudar.

No me gustan las dos capas de tierra. Dos capas de tierra puede meterte en problemas a menos que se cosen juntos con regularidad. Una vez más, estás pensando en el escudo cuando en realidad deberías estar pensando cuidadosamente en la conexión a tierra. Visualice todas las corrientes de retorno que fluyen, y asegúrese de que los componentes de alta frecuencia no fluyen a través del plano de tierra. Utilice planos de tierra locales debajo de secciones específicas que produzcan ruido de alta frecuencia o que sean sensibles a dicho ruido. Los condensadores de derivación inmediata van a la red de tierra local, que luego se une a la red de tierra global en un solo lugar.

Muestra el circuito de la primera etapa amplificadora y explica cómo están dispuestas todas las masas.

Añadido tras la actualización 3:

3-5 mV existe incluso sin el 10K y el C1. Esencialmente no hay entrada al op-amp. Esto me hace pensar que mi diseño no es perfecto.

Eso te indica que el ruido no procede del fotodetector, así que puedes olvidarte de eso por ahora. El ruido está en la tensión de polarización de la entrada positiva o en la masa.

Completa dos capas de tierra conectadas a través de varias vías.

De nuevo, no creo que sea una buena idea por dos razones. En primer lugar, estos dos planos tienen que estar unidos regularmente. Eso no es tan fácil de hacer bien como parece. En segundo lugar, suena como que por lo tanto no utilizó sub-tierra para los subsistemas críticos. Parte del punto de estas sub-tierras es aislar las corrientes de bucle de alta frecuencia para mantenerlas fuera de la tierra principal. Al conectar cada sub-tierra a la tierra principal en un solo lugar, mantiene las corrientes de bucle de alta frecuencia locales, y evita que el subsistema vea tensiones de compensación entre los diferentes puntos de tierra debido a las corrientes en el plano de tierra.

La alimentación de 3,3 V (también la alimentación de los op-amps) se filtra mediante un condensador de tantalio de 2,2 µF y una red pi (100 kHz roll over) antes de la alimentación del fotodiodo (es decir, antes de la resistencia de 10K).

Pero no muestras nada de eso. Un condensador de tantalio tendrá una respuesta de alta frecuencia más pobre y mayor ESR que un condensador cerámico. Realmente no hay ninguna razón para utilizar un condensador de tantalio a este voltaje y capacitancia. Además, un condensador por sí solo no sirve de mucho sin alguna impedancia contra la que trabajar. Usted menciona una red pi, pero nada de esto se muestra en el esquema y sólo habla de una sola capacitancia, por lo que no tiene sentido.

Como también he dicho antes, 100 kHz es demasiado alto. Como ya he dicho, me gustaría ver que 10 kHz o menos.

También tenemos condensadores de 1/100/10 nF cerca de los 10K.

Bien, pero de nuevo, necesitan alguna impedancia contra la que trabajar. Un inductor de ferrita en serie con la fuente de alimentación lo haría, como he dicho antes.

El amplificador óptico tiene 1/100/10 nF en las patillas de alimentación y polarización

Vale, pero una vez más, estos necesitan alguna impedancia contra la que trabajar. Un inductor de chip en serie ayudaría.

Además, de nuevo, ¿dónde se conectan exactamente estos condensadores a tierra? Sospecho que solo se conectan a los planos de tierra. De nuevo, todo esto debería estar conectado a una red de tierra local conectada al plano de tierra principal en un único punto.

El condensador de realimentación y la resistencia se colocan lo más cerca posible del amplificador operacional.

Bien.

Todos los trazos de señal entre los fotodiodos y los op-amps se minimizan; estamos hablando de <2 cm en el peor de los casos

Ya ha demostrado que no es de ahí de donde procede el ruido.

Todas las señales consideradas críticas se colocan entre dos capas de tierra.

De nuevo, este tipo de apantallamiento sólo es útil si tienes una toma de tierra limpia, cosa que creo que no tienes. Si no, lo único que se consigue es aumentar el acoplamiento capacitivo del ruido de la tierra a la señal.