Lata de blindagem, qual é a maneira correta?

Eu gosto de proteger um circuito sensível meu com um escudo. Não tenho uma foto, mas, basicamente, montei um retângulo de terra de 1 mm de espessura na camada superior e colocarei a blindagem sobre ela para que ela entre em contato com esse traço de terra.

Eu tenho algumas preocupações.

1. Estou criando um loop de terra fazendo isso?
2. Se eu não usar o escudo, estou criando uma antena que capta ruídos?
3. Qual é a prática recomendada para esse tipo de escudo?

Na verdade, eu gosto de conectar o escudo em um único ponto, mas uma pessoa com mais experiência insiste em gostar de ter um solo retangular cheio exposto, para que o escudo possa tocar o chão em todos os pontos.

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Aqui está uma representação muito rudimentar.

ATUALIZAÇÃO 2

O ruído está na saída do nosso amplificador (transimpedância). É de cerca de 3-5 mV para uma amplificação de 300.000. (Cometi erros no primeiro layout e agora estou fazendo uma placa melhor e o objetivo é reduzir o ruído do primeiro estágio para menos de 1 mV.)

Eu tenho dois LDOs que consomem energia da bateria. Ambos têm alto PSRR . Esta é uma placa de seis camadas com a seguinte pilha, S / G / S / G / P / S. Isso é um pouco incomum, mas eu escondo sinais sensíveis entre esses motivos. O painel não precisa ser de seis camadas, mas isso depois se tornará parte de outro painel lotado, daí as seis camadas.

As fontes de ruído são abundantes:

• Fonte de alimentação: mitigamos isso com bons LDOs, filtragem ( filtro pi ), capacitores de derivação, etc. Até agora, no pior caso, vejo 1-2 mV ondular na energia; esse poderia até ser meu equipamento. (Eu não tenho bons equipamentos, os amplificadores também têm 50 + dB PSRR, portanto isso deve ter um impacto mínimo na saída.)

• Ruído Opamp: Este é o ruído inerente proveniente do amplificador. Eu tenho um opamp de baixo ruído. .$3\ nV/\sqrt{Hz}$

• Fotodiodo: Eu uso um fotodiodo grande, isso capta ruídos inevitáveis.

• Outras fontes eletromagnéticas: Vimos que a placa é muito sensível, o ruído sobe em várias situações. Além disso, os esquemas de referência de algumas fontes recomendam a proteção das fontes de ruído externo reduzido, por isso estamos colocando essa opção de blindagem para testar nossa próxima placa.

ATUALIZAÇÃO 3

• 3-5 mV existe mesmo sem o 10K e o C1. Essencialmente nenhuma entrada para o opamp. Isso me faz pensar que meu layout não é perfeito.

Aqui está o esquema básico do amplificador. Posso acrescentar mais se acharmos necessário.

As seguintes regras foram observadas:

• Complete duas camadas de terra conectadas por várias vias .
• A fonte de 3,3 V (também a fonte para os opamps) é filtrada através de um capacitor de tântalo de 2,2 µF e da rede pi (100 kHz rollover) antes da fonte para o fotodiodo (ou seja, antes do resistor de 10 K). Também temos capacitores de 1/100/10 nF próximos aos 10K. (Não tenho certeza de que seja uma ótima idéia, mas é melhor estar seguro.)
• C1 bloqueia a CC (arquitetura acoplada à CA), apenas amplificamos a CA.
• O Opamp possui 1/100/10 nF nos pinos de alimentação e polarização (a polarização é fornecida pelo segundo LDO).
• O capacitor de feedback e o resistor são colocados o mais próximo possível do opamp.
• Todos os traços de sinal entre os fotodiodos e os opamps são minimizados; estamos falando com o pior caso <2 cm.
• Todos os sinais considerados críticos são colocados entre duas camadas de terra.

Outra observação que explica por que pensamos em blindagem: conecto um resistor ao nosso gerador de funções e ligo, isso é através de cabos de crocodilo (essencialmente uma antena de loop), para que saibamos que ele irradia na frequência que escolhemos. Eu posso ver a saída do opamp captando isso muito bem e amplificando. Então, está muito claro para mim que as fontes externas entram em cena, daí toda a discussão.

Quando ouço alguém querer usar um escudo, começo dizendo que um escudo é o primeiro refúgio dos incompetentes. Isso não é totalmente justo, pois há usos legítimos para os escudos, mas define o tom da discussão real, que geralmente é sobre emissões ou suscetibilidade de RF e, finalmente, sobre péssimas condições que estão causando a bagunça.

Um escudo deve ser o último refúgio do competente. Os escudos também têm desvantagens significativas, além da questão óbvia dos custos. Os incompetentes acreditam no mito de que, se você colocar algo em uma caixa condutora, a energia de RF não pode sair ou entrar. Isso não é verdade. Um escudo também pode se tornar uma antena se não for projetado corretamente.

Antes de podermos falar sobre seu escudo, primeiro precisamos revisar sua estratégia de aterramento com cuidado. Escudos e aterramento andam juntos firmemente. Explique qual é exatamente o problema que você acha que o escudo resolverá, como exatamente tudo está fundamentado, quais são as fontes de ruído etc.

Em geral, um bom aterramento fará mais para reduzir as emissões de RF e a suscetibilidade do que um escudo. Se o aterramento for feito da maneira correta, um escudo poderá adicionar uma atenuação extra de emissões. Se o aterramento for feito incorretamente, o escudo poderá se tornar uma antena e piorar as coisas. Com um bom aterramento, geralmente você deseja que a blindagem envolva o circuito com o menor número possível de orifícios, conectada ao aterramento do circuito principal em exatamente um local .

Novamente, conte-nos mais sobre seu circuito, layout e problema. Então podemos discutir mais sobre o escudo, se ainda for apropriado.

Adicionado após a atualização 2:

Parece que sua principal preocupação é o ruído que entra no sinal analógico. Atualmente, você possui um ruído de 3-5 mV na saída do primeiro amplificador, mas deseja reduzi-lo para 1 mV. Você diz que este é um amplificador de impedância, mas isso é contraditado pelo seu ganho de 300k, portanto ainda não sabemos qual é realmente o seu circuito.

De onde vem o sinal de entrada? Como chega à entrada do amplificador? Qual é a referência e o que você fez para garantir que essa referência seja limpa? A verdadeira questão é tornar esse primeiro estágio do amplificador o mais baixo possível. Depois disso, o sinal é de nível mais alto e impedância mais baixa, para que não seja tão suscetível. Quais são as fontes de ruído externo que chegam ao sinal de entrada? Quanto barulho você sai do primeiro estágio se diminuir sua entrada?

Alto PSRR para amplificadores e reguladores de tensão é bom, mas lembre-se de que isso só se aplica a baixas frequências. Se você tiver um circuito particularmente sensível, forneça seu próprio regulador linear com as entradas da fonte de alimentação para esse regulador filtradas. Algo como um indutor de chip seguido de um grande capacitor de cerâmica para aterrar na frente do regulador geralmente é bom. Talvez até duas delas em série. O objetivo é eliminar as altas frequências na alimentação da fonte de alimentação, de modo que os componentes eletrônicos ativos no regulador possam lidar com o restante. Gostaria de ver os filtros rolando a 10 kHz ou menos. Você também deseja manter as fontes de alimentação não filtradas afastadas do sinal de entrada para evitar a captação capacitiva. Traços de guarda podem ajudar.

Eu não gosto das duas camadas de solo. Duas camadas de solo podem causar problemas, a menos que sejam costuradas regularmente. Mais uma vez, você está pensando em escudo; em vez disso, deveria pensar cuidadosamente em aterramento. Visualize todas as correntes de retorno fluindo e verifique se os componentes de alta frequência não fluem através do plano de terra. Use planos de sub-terra locais em seções específicas que produzam ruído de alta frequência ou são sensíveis a esse ruído. Os capacitores de bypass imediato vão para a rede de aterramento local, que é então ligada à rede de aterramento global em apenas um local.

Mostre o circuito do primeiro estágio do amplificador e explique como todas as bases são realmente dispostas.

Adicionado após a atualização 3:

3-5 mV existe mesmo sem o 10K e o C1. Essencialmente, nenhuma entrada para o amplificador operacional. Isso me faz pensar que meu layout não é perfeito.

Isso indica que o ruído não vem do fotodetector, então você pode esquecer isso por enquanto. O ruído está na tensão de polarização da entrada positiva ou está no chão.

Complete duas camadas de terra conectadas por várias vias.

Mais uma vez, não acho que seja uma boa ideia por dois motivos. Primeiro, esses dois planos precisam ser costurados regularmente. Não é tão fácil fazer o certo quanto parece. Segundo, parece que você não usou o subsolo para subsistemas críticos. Parte do objetivo dessas sub-bases é isolar as correntes de loop de alta frequência para mantê-las fora do terra principal. Ao conectar cada sub-terra ao terra principal em apenas um lugar, ele mantém as correntes de loop de alta frequência local e impede que o subsistema veja tensões de deslocamento entre diferentes pontos de terra devido a correntes no plano de terra.

A fonte de 3,3 V (também a fonte para os amplificadores operacionais) é filtrada por meio de um capacitor de tântalo de 2,2 µF e uma rede pi (rollover de 100 kHz) antes da fonte para o fotodiodo (ou seja, antes do resistor de 10 K).

Mas você não mostra nada disso. Um capacitor de tântalo terá resposta de alta frequência mais baixa e ESR mais alta que um capacitor de cerâmica. Não há realmente nenhuma razão para usar um capacitor de tântalo nessa tensão e capacitância. Além disso, um capacitor por si só não é muito bom sem alguma impedância de trabalhar. Você menciona uma rede pi, mas nada disso é mostrado no esquema e você fala apenas de uma capacitância única, para que isso não aconteça.

Como eu também disse antes, 100 kHz é muito alto. Como eu disse, gostaria de ver isso em 10 kHz ou menos.

Também temos capacitores de 1/100/10 nF próximos aos 10K.

Bom, mas novamente, eles precisam de alguma impedância para trabalhar. Um indutor de cavacos de ferrite em série com a alimentação de suprimento faria isso, como eu disse antes.

O amplificador operacional possui 1/100/10 nF nos pinos de alimentação e polarização

OK, mas mais uma vez, eles precisam de alguma impedância para trabalhar. Um indutor de chips em série ajudaria.

Além disso, novamente, onde exatamente esses capacitores se conectam ao terra? Suspeito que você esteja apenas perfurando seus aviões terrestres. Novamente, tudo isso deve ser conectado a uma rede de aterramento local conectada ao plano de aterramento principal em um único ponto.

O capacitor de feedback e o resistor são colocados o mais próximo possível do amplificador operacional.

Boa.

Todos os traços de sinal entre os fotodiodos e os amplificadores operacionais são minimizados; estamos a falar <2 cm no pior caso

Você já mostrou que não é de onde vem o ruído.

Todo o sinal considerado crítico é colocado entre duas camadas de terra.

Novamente, esse tipo de blindagem só é útil se você tiver um terreno limpo, o que acho que não. Caso contrário, tudo o que isso faz é aumentar o acoplamento capacitivo do ruído no solo para o seu sinal.