Zaloguj
Swoją przygodę z elektroniką zaczynałem, jak być może wielu Czytelników „Elektroniki Praktycznej”, od lutowania zestawów do samodzielnego montażu. Z czasem coraz bardziej zagłębiałem się w opis działania danego układu zwłaszcza, kiedy coś nie działało jak należy lub – co gorsza – zaczynał dymić, syczeć i skwierczeć. Jako małolat dotarłem wówczas do ściany i stwierdziłem, że ja tych tranzystorów to nie rozumiem, muszę najpierw poznać ich przodków. I tak zaczęły się moje przygody z elektroniką lampową, które trwają do dziś. Nawiasem mówiąc zrozumienie zasady działania tranzystora i wielu układów na nim bazujących faktycznie stało się dla mnie prostsze właśnie dzięki lampom.
Współcześnie nie uczy się o lampach elektronowych w technikach czy na uczelniach wyższych, co najwyżej bywają gdzieś wspomniane jako lekko zabawny relikt przeszłości, pokazujący ówczesne zacofanie na tle dzisiejszych możliwości. Moim zdaniem takie podejście jest krzywdzące, ponieważ takimi właśnie możliwościami technicznymi dysponowała wówczas ludzkość, a niektóre układy korzystające z minimalnej liczby elementów aktywnych do dziś mogą budzić szacunek. Niemniej jednak lampy są dziś traktowane często zupełnie po macoszemu.
Z kolei elektronika analogowa (oczywiście półprzewodnikowa) jest przez wielu inżynierów postrzegana jako coś mrocznego, tajemniczego, nie do końca wyjaśnionego. Po części się z tym zgadzam, bowiem wiele układów działa (lub nie) za sprawą bardzo subtelnych i trudnych do uchwycenia parametrów, takich jak indukcyjność doprowadzeń, pojemności między nóżkami czy szum nadmiarowy. Również prowadzenie masy w układach analogowych jest często tłumaczone w sposób enigmatyczny, zawierający mnóstwo dogmatów i niedopowiedzeń. A dlaczego?
Układy cyfrowe, w zdecydowanej większości, są odporne na wpływ sposobu poprowadzenia masy. Obowiązujący standard, czyli płaszczyzna miedzi (możliwie jednorodna), do której prowadzą liczne przelotki, załatwia sprawę nawet w przypadku sygnałów gigahercowych. Ryzyko wzbudzenia jest niemal zerowe, zrealizowana jest również w ten sposób droga powrotna prądów płynących w ścieżkach sygnałowych. Trudniejszym zagadnieniem staje się wówczas rozprowadzenie zasilania i elementów je filtrujących, ale nie to jest tematem niniejszego artykułu. Przeniesienie tych reguł 1:1 na grunt układów analogowych w znacznej liczbie przypadków kończy się porażką bądź wydaniem zaleceń w stylu: proszę nie dotykać masy układu podczas pracy, bo się czasem wzbudza…
Moim zdaniem nic nie uczy prowadzenia masy tak dobrze, jak właśnie układy lampowe. Ich olbrzymia (w większości wypadków) impedancja wejściowa oraz relatywnie wysoka impedancja obciążenia dają idealne warunki do tego, by wszelkiej maści pętle masy pokazały, jakiego zamieszania potrafią narobić w pozornie niewinnym układzie. Aby ich uniknąć, tak zwana stara szkoła prezentuje dwa sposoby prowadzenia masy: szynę i gwiazdę (rysunek 1). Nie wiem, który z nich jest bardziej nieżyciowy i niepraktyczny, ale – patrząc na nie wprost – można tak rozpatrywać obydwa rozwiązania.
Topologia gwiazdy zakłada sprowadzenie wszystkich punktów, które powinny mieć potencjał masy, do jednego miejsca. Tym miejscem zazwyczaj jest ostatni kondensator filtrujący zasilacza lub inny węzeł charakteryzujący się możliwie niską impedancją. W praktyce nie jest to wcale takie proste. Po pierwsze plątanina połączeń byłaby niesamowita, bowiem każdy punkt należałoby poprowadzić do węzła zbiorczego oddzielnym połączeniem. Istny dramat!
Po drugie, droga powrotna prądu między podzespołami, które są ze sobą blisko związane, wydłużyłaby się i to całkowicie niepotrzebnie. Topologia gwiazdy zawsze gwarantuje jednak, że nigdzie nie powstanie pętla masy – dowolnie wybrana para punktów mających potencjał zerowy łączy się bowiem między sobą tylko przez węzeł zbiorczy.
Innym podejściem jest topologia szyny, która zakłada poprowadzenie połączenia o możliwie małej impedancji (czytaj: grubego i/lub szerokiego) między wszystkimi elementami. Taki układ również jest trudny w praktycznej realizacji, bowiem doprowadzenie szerokiej ścieżki masy do każdego punkciku w gęsto zabudowanym układzie montowanym powierzchniowo to zadanie co najmniej niełatwe, a na pewno frustrujące. Jednak warto zauważyć, iż szyna masy powinna być prowadzona między podzespołami o malejącym prądzie tętnień wprowadzanych do potencjału odniesienia, w miarę oddalania się od węzła początkowego – rysunek 2. Oznacza to, że podzespoły generujące największe tętnienia powinny być podłączone blisko zasilacza, a te wrażliwsze – dalej. W ten sposób tętnienia potencjału masy, które są generowane przez toporne obwody nie mają wpływu na te bardziej subtelne, jak czułe przedwzmacniacze.
Dlaczego by zatem nie połączyć obu tych systemów? Gwiazda zapewnia nam eliminację pętli masy, z kolei szyna porządkuje rozpływ prądów tętnień. Można w ten sposób stworzyć system mieszany, w którym małe, lokalne gwiazdy masy łączymy przy użyciu szyny do zasilacza, co obrazuje rysunek 3.
Nie ma też przeciwwskazań, by małe, lokalne gwiazdy masy łączyć w większe gwiazdy, a te z kolei połączyć jedną lub kilkoma szynami, w zależności od potrzeb i możliwości – rysunek 4. Mamy w ten sposób zagwarantowane, że nie wytworzy nam się pętla, bowiem nie istnieją wielokrotne połączenia między elementami. Z drugiej strony łączenie gwiazd szyną (lub szynami) daje kontrolę nad tym, którędy płyną prądy powrotne. Nie odkryłem tego sam, takie struktury również są pokazywane w zakurzonych, pożółkłych już podręcznikach, a ja staram się jedynie zaadaptować tę wiedzę do współczesnych realiów.
Takiej lokalnej gwiazdy masy nie trzeba rozumieć dosłownie. Gwiazda ma tę zaletę, że prądy błądzące nie spowodują przeniknięcia nadmiernych tętnień do np. przedwzmacniacza mikrofonowego. Ale taką lokalną gwiazdą może tez być wylewka – o ile tylko mamy gwarancję, że będą przez nią płynęły tylko te prądy, których sobie w jej obrębie życzymy. W tym obszarze może zatem znajdować się wzmacniacz operacyjny (lub inny element wzmacniający) ze swoimi kondensatorami odsprzęgającymi i podzespołami pracującymi w jego pętli sprzężenia zwrotnego. Mogą tam trafić również przynależne mu stabilizatory, jeżeli takowe są potrzebne, a opcjonalnie nawet złącze sygnału wejściowego (kierowanego do tego wzmacniacza) wraz z ewentualnym rezystorem terminującym – i tyle, nic więcej. Wylewka masy jest dzisiaj łatwiejsza do uzyskania na powierzchni obwodu drukowanego niż gwiazda, poza tym pełni również funkcję ekranującą elementy przed działaniem zewnętrznego pola elektromagnetycznego (głównie przed składową elektryczną, z racji wykonania jej z będącej diamagnetykiem miedzi).
Takie lokalne wysepki masy (bowiem o gwiazdach już nie można od tego miejsca mówić) trzeba między sobą połączyć. I tu warto mieć na uwadze to, którędy będzie płynął prąd powrotny sygnału wytwarzanego przez dany obwód dla stopnia następnego. Warto dopilnować, aby jego droga była możliwie krótka, zaś impedancja – mała. Można więc rozważyć połączenie wysepek bezpośrednio między sobą, lokując ścieżki sygnałowe tuż nad połączeniami masy, czyli fragmentami szyny masowej – rysunek 5. Wtedy takie połączenia będą ekranowane, a jednocześnie droga powrotna dla tych prądów okaż się krótka, ponieważ znajdzie się bezpośrednio pod ścieżką. Nic nie stoi na przeszkodzie, by traktować te połączenia wręcz jako linie mikropaskowe o ustalonej impedancji charakterystycznej, jeżeli układ operuje na odpowiednio wysokich częstotliwościach sygnałów.
Warto zauważyć, że obecność kondensatorów odsprzęgających zasilanie danego obwodu na przynależnej mu wysepce masy znacząco zmniejsza przenoszony przez nią prąd tętnień. Owe tętnienia mogą zostać zamknięte przez kondensatory już w obrębie danej wysepki, nie mając możliwości rozprzestrzeniania się po pozostałej części obwodu. Oczywiście żadna filtracja nie jest idealna i część tętnień zamknie się dopiero w zasilaczu, jednak ich amplituda będzie już znacznie mniejsza.
Takie wysepki warto łączyć między sobą w kolejności zgodnej z narastającą amplitudą tętnień prądu generowanego w ich obrębie (czyli zgodnie z topologią szyny), lecz mając również na uwadze przepływ sygnałów między wysepkami – tak by nie utworzyć przez przypadek absurdalnie długiej drogi powrotnej dla stosunkowo szybkiego sygnału. Wtedy można odwołać się do topologii mieszanej z rysunku 4 i kilka szyn, które prowadzą do np. końcówek mocy, poprowadzić do wspólnego zasilacza tworząc z nich de facto gwiazdę (rysunek 6). Wtedy tętnienia generowane przez każdą z nich nie będą miały wpływu na pozostałe.
W nowoczesnych programach CAD operacje tworzenia i łączenia wysepek można bardzo łatwo realizować poprzez przecinanie jednorodnej płaszczyzny masy. Grunt w tym by wiedzieć, w których miejscach należy tego dokonać. Nie zmienia to jednak faktu, że prowadzenie masy to temat, który był poruszany w wielu książkach, a i tak wymaga sporego wyczucia oraz intuicji. Jak przystało na zagadnienie zahaczające momentami niemal o ezoterykę…
Michał Kurzela, EP
