少年仔,「單點接地」是啥你甘知?

作者 : Roy McCammon,3M定位與追蹤部門資深技術工程師

當我在這位年輕同事所謂的單點類比接地發現兩個相差30μV的點時,之前忍耐他對我的所有白眼算是都值得了。等到我斷開電池代用器後,這種情況也立馬消失了...

我曾經被公司指派去協助一位年輕的同事,他開發的一款產品即將完成並準備投產。這款產品的電路中有一個檢測器連接到運算放大器(op-amp)的虛擬接地設置,以便將電流轉換為電壓。該檢測器的阻抗僅約1kΩ;反饋電阻值為100MΩ。因此,雖然運算放大器電路作為跨阻放大器使用,實際上卻也是一個增益為100,000的電壓放大器。這款產品應該採用電池或電池代用器(battery eliminator)供電。

我們最後對這款產品進行了完整範圍的輸入電壓測試,從幾乎快沒電的電池電壓,到盡可能最高的代用器電壓範圍,但是,一直到這項專案的後期我們才有機會以電源代用器進行測試。然而,等到我們接上電池代用器後,看到它出現了大約100mV的電壓偏移。

關於產生電壓偏移的原因,大家都有不同的看法。一位工程師將其歸咎於外殼內部導電塗層的擊穿現象;有人認為是在此導電塗層上出現了奇怪的漏電路徑。還有人說是RF整流所致,很確定地說只要使用一些鐵氧體磁珠和「好」的電容就可以解決這個問題。

我則是從誤差所在開始追根溯源,計算出在運算放大器和檢測器之間的接地電壓只需要1μV的差值。於是我問這位年輕同事,在設計中是否使用了真正的單點接地,他信誓旦旦地說確實這麼做了,並提供了一份設計圖作佐證。我拿著這份草圖問他ADC、檢測器以及運算放大器的正相輸入連接到地的位置;他卻回答說這幾個元件各自連接至不同的地方。

於是我告訴他,「那就不算是真正的單點接地。」

這個年輕人翻了個白眼,說自己做的方式比單點接地更好:他在類比部份採用了實心銅接地層,數位部份則採用了另一個接地層。公共點在ADC。整個類比接地層僅流過100μA電流,不可能產生1μV電壓。類比接地層實際上相當於單點接地。

「你能不能拿一個故障的產品來看看?」我問。

「我有大約一百個產品都壞了,必須把它們修好。我在想是否要檢查一下軟體錯誤。」他回答說:「我可以給你一個看看,但小心別把它弄壞了。」

「請你展示一下如何重現故障問題。」我一邊說,一邊拿起旁邊一個4位半的數位電壓表,並將它調至100mV的量程上。

這個年輕人卻冷笑道:「你用這個電壓表什麼都看不到!它的解析度只有10V。」

然而,當我在他所謂的單點類比接地上發現兩個相差30μV的點時,之前忍耐他對我的所有白眼算是都值得了。等到我斷開電池代用器後,這種情況也立馬消失了。

找到故障原因後,修復就很簡單了。ADC具有差分輸入,因此我們將其反相輸入連接到運算放大器的正相輸入,並將檢測器的接地連接移至運算放大器的正相輸入。這款產品在修復後的測試中表現地很完美​​,即使其接地並不是真正的地。

而導致故障發生的根本原因是,這位年輕同事無意中將電池代用器的反回路徑連接到類比接地層而非數位接地層。因此,當使用電池代用器為產品供電時,整個負載電流流經類比接地層,導致舊的檢測器接地和運算放大器接地之間產生了大約1μV的電壓差。

兩個因素導致這位年輕同事設計的產品出現故障:微不足道的1μV接地電壓;以及檢測器的較低阻抗,將其跨阻放大器變成了高增益的電壓放大器。

(原文刊登於EDN美國版,參考連結:What’s your (single) point, youngster?,由Jenny Liao編譯。)

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  1. 明倫 康表示:

    哈哈哈,標題下得很有趣