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一个错误理解“单点接地”的应用实例

2021-06-18 Roy McCammon 阅读:
引起故障的根本原因是,年轻人无意中将电源适配器的返回路径连接到模拟地层而不是数字地层。使用电源适配器为产品供电时,整个负载电流流经模拟地层,使旧的检测器地和运算放大器的地之间产生了约1μV的电压差。

我有一位年轻的同事,他开发的一款产品很快就要完成并投入生产了。产品电路中有一个检测器连接到一个运算放大器的虚地,运放将检测器电流转换为电压。检测器阻抗仅1kΩ左右;反馈电阻的值为100MΩ。因此,虽然运放电路是作为跨阻放大器使用,它实际上也是一个增益为 100,000 的电压放大器。该产品用电池或电源适配器(battery eliminator)供电。从快没电的电池,到可能最高的电源适配器电压,我们在整个输入电压范围内对产品进行了测试,但直到项目后期我们才开始测试使用电源适配器。接上电源适配器后,我们看到出现了大约 100 mV 的电压偏移。0EKednc

关于产生电压偏移的原因,大家有不同的看法。一位工程师认为出现了与外壳内部导电涂层有关的击穿现象;有人提出是这个涂层上出现了奇怪的漏电路径;还有人提出是RF整流,并确信使用一些铁氧体磁珠和一些“好”电容就可以解决这个问题。0EKednc

我则是从误差追根溯源,计算出它只需要运算放大器和检测器之间的地电压存在1μV的差值。我问这位年轻同事,在设计中他是否使用了真正的单点地,他向我保证他用了,并给了我一份设计图纸的复印件来作证。我拿着图纸走到他身边,问他 ADC、检测器和运算放大器的同相输入连接到地的位置,他回答说这几个器件各自连接在不同的地方。0EKednc

“那并不是真正的单点地,”我说。0EKednc

年轻人翻了个白眼,说那比单点地更好:在模拟部分他采用了实心铜地层,数字部分采用了另一个地层。公共点在ADC。整个模拟部分的地层仅流过 100 μA电流,不可能产生1 μV电压。模拟地层实际上等同于单点地。0EKednc

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“你能不能给我一个出故障的产品,让我看看?”我问。0EKednc

“我有大约一百个故障产品,必须把它们修好。我在考虑是否要检查一下软件中的错误,”他回答道, “我可以给你一个,但注意不要再把它弄坏了。”0EKednc

“给我演示一下如何重现故障,”我一边说,一边拿起旁边的一个4.5位数字电压表,并把它调在100 mV的量程上。0EKednc

年轻人冷笑道:“用这个电压表你不会看到任何东西的,它的分辨率只有10μV。”0EKednc

然而当我在这个年轻人所谓的单点模拟地上发现了两个相差30μV 的点时,我忍受的所有白眼都值了。我断开电源适配器,这种情况立马就消失了。0EKednc

找到了故障原因,修复就很简单了。ADC具有差分输入,因此我们将其反相输入连接到运算放大器的同相输入,并将检测器的接地改变至运算放大器的同相输入。修复后的产品在测试中表现完美,即使它的地不是真正的地。0EKednc

引起故障的根本原因是,这个年轻人无意中将电源适配器的返回路径连接到模拟地层而不是数字地层。使用电源适配器为产品供电时,整个负载电流流经模拟地层,使旧的检测器地和运算放大器的地之间产生了约1 μV的电压差。0EKednc

我的年轻同事设计的产品受到两个因素的影响而出现故障:微不足道的 1 μV地电压;以及检测器低阻抗,而将他的跨阻放大器变成了高增益电压放大器。0EKednc

作者介绍:0EKednc
Roy McCammon 是 3M 定位及追踪部门(明尼苏达州圣保罗)的专家级高级技术工程师。
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(原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站,参考链接:What’s your (single) point, youngster?,由Jenny Liao编译。)0EKednc

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