Las líneas y planos de tierra tienen impedancia. Cuando la corriente fluye a través de una trayectoria de tierra, aparecerá un voltaje en esa trayectoria. Esta tensión es ruido. La tensión de ruido es una de las fuentes de interferencia que pueden dañar la estabilidad del sistema. Por lo tanto, para reducir el ruido de tierra, primero debemos reducir la impedancia de tierra.
Como todo el mundo sabe, la tierra es el camino de retorno de la corriente. Para cualquier señal, la señal debe encontrar un camino de vuelta a tierra que tenga la impedancia más baja. Por lo tanto, es muy importante la forma en que manejamos ese camino de retorno.
1 - Por qué son importantes el tamaño y la forma de la trayectoria de retorno
En primer lugar, por la fórmula de la radiación sabemos que la intensidad de radiación es proporcional al área del bucle. Esto significa que cuanto más larga sea la vía de retorno y mayor sea el bucle que forme, más radiará y perturbará a otros circuitos. Por tanto, cuando diseñes una placa de circuito impreso, debes intentar que los bucles de retorno de potencia y señal sean lo más pequeños posible.
En segundo lugar, para una señal de alta velocidad, darle un buen camino de retorno ayuda a mantener su calidad de señal. Esto se debe a que la impedancia característica de una línea de transmisión en la placa de circuito impreso suele calcularse con respecto a un plano de tierra (o un plano de potencia). Si hay un plano de tierra continuo cerca de la traza de alta velocidad, la impedancia de la traza permanecerá constante. Si una sección de la traza no tiene una referencia de tierra cercana, la impedancia cambiará. Esta discontinuidad de impedancia afectará a la integridad de la señal. Por lo tanto, al trazar, coloque las trazas de alta velocidad en capas cercanas a un plano de tierra. O coloque una o dos líneas de tierra en paralelo junto a la línea de alta velocidad. Estas trazas de tierra funcionan como un blindaje y proporcionan una vía de retorno cercana.
En tercer lugar, siempre que sea posible, evita encaminar las señales a través de planos de potencia divididos. Esto se debe a que cuando una señal cruza diferentes divisiones de potencia o tierra, su camino de retorno se hace largo y puede captar interferencias. Dicho esto, para señales de baja velocidad no está estrictamente prohibido cruzar divisiones porque la interferencia que causan puede ser pequeña. En alta velocidad señales debes tener cuidado y evitar cruzar los splits siempre que puedas. También puede tratar de cambiar el enrutamiento de los planos de potencia para ayudar.
Muchos problemas de interferencias electromagnéticas provienen del diseño de la toma de tierra. El potencial de tierra es la referencia de todo el circuito. Si la tierra no es estable, el circuito puede fallar. El objetivo del diseño de tierra es mantener el potencial de tierra lo más estable posible y eliminar así las interferencias.
Los métodos de puesta a tierra de las señales suelen ser de cuatro tipos: tierra flotante, tierra en un punto, tierra en varios puntos y tierra mixta.
2 - Tipos de puesta a tierra
A. Suelo flotante
Propósito: Mantenga el circuito o el dispositivo aislado de conductores comunes que puedan causar bucles de tierra. La puesta a tierra flotante también facilita el emparejamiento de circuitos que tienen potenciales diferentes.
Inconveniente: Puede acumular fácilmente carga estática y provocar una fuerte descarga electrostática (ESD).
Compromiso: Añadir resistencias de descarga para purgar la carga.
B. Punto único de tierra
La toma de tierra en un solo punto significa que la toma de tierra de cada circuito se conecta a la toma de tierra común en el mismo punto. Puede dividirse en punto único en serie y punto único en paralelo. No utilice el punto único de tierra en sistemas en los que se mezclen circuitos de alta y baja potencia. Las corrientes de tierra de la parte de alta potencia afectarán a las partes de baja potencia. Además, el circuito más sensible debe colocarse en el punto común, porque ese punto tiene el potencial más estable.
La mayor ventaja de la toma de tierra en un solo punto es que no hay bucles de tierra, por lo que el diseño es relativamente sencillo. Pero los cables de tierra pueden ser largos y la impedancia de tierra puede ser grande.
La puesta a tierra en un solo punto puede hacerse de dos maneras:
- Toma de tierra de un punto en serie - Esto es sencillo. Pero como hay un conductor de tierra compartido, existirá una impedancia de tierra común. Si los circuitos en serie tienen niveles de potencia muy diferentes, interferirán mucho entre sí.
- Punto único de tierra paralelo - Cada circuito lleva un cable de tierra al punto común por separado. Así se evita el acoplamiento en la toma de tierra común. Pero necesita muchos cables de tierra y no es práctico en muchos casos.
En los diseños reales, puedes utilizar un enfoque mixto de punto único que utilice tanto series como paralelos. Coloque los circuitos que no interfieren entre sí en la misma capa. Coloque los circuitos que interfieren fácilmente en capas diferentes. A continuación, conecte las capas de tierra en paralelo en el punto común. (El texto original hacía referencia a una figura aquí).
Úsalo: La conexión a tierra de un solo punto es adecuada para frecuencias de funcionamiento bajas (< 1 MHz).
Inconveniente: No es bueno para situaciones de alta frecuencia.
La puesta a tierra de un solo punto no es adecuada para circuitos de alta frecuencia porque los cables de tierra son largos y la impedancia de esos cables se hace inevitable. Para alta frecuencia, considere la puesta a tierra multipunto.
C. Tierra multipunto
Utilice tomas de tierra multipunto para frecuencias de funcionamiento elevadas (> 30 MHz). En un esquema multipunto se sustituyen los bucles de retorno de tierra individuales por un plano de tierra que puede utilizar cada parte del circuito. La reactancia inductiva de un cable de tierra aumenta con la frecuencia y la longitud del cable. A alta frecuencia, aumenta la impedancia de la toma de tierra común. Por lo tanto, la longitud del cable de tierra debe ser lo más corta posible.
Cuando utilice una toma de tierra multipunto, intente encontrar la superficie de baja impedancia más cercana a la que conectarse. Los circuitos digitales de alta frecuencia necesitan una conexión a tierra paralela. Una forma sencilla de hacerlo es utilizar vías de tierra. Cuando los circuitos funcionan a alta frecuencia, imagine una señal de alta frecuencia moviéndose a lo largo de una traza de tierra y afectando a los circuitos cercanos. Esto puede ser muy malo. Así que todos los circuitos deben volver a tierra en las proximidades. Las líneas de tierra deben ser cortas. Por eso existen las tomas de tierra multipunto.
El objetivo de la puesta a tierra multipunto es reducir la impedancia de tierra. Para reducir la impedancia en un circuito de alta frecuencia, hay que tener en cuenta dos cosas: reducir la resistencia de tierra y reducir la inductancia de tierra.
Métodos:
- Menor resistencia del conductor. A partir de la relación entre resistencia y área de la sección transversal sabemos que aumentar el área del conductor disminuye la resistencia de CC. Pero a alta frecuencia, el efecto piel hace que la corriente fluya cerca de la superficie de los conductores, por lo que el simple aumento de la sección transversal tiene un efecto limitado. Puede considerar recubrir el conductor con plata porque la plata tiene mejor conductividad que muchos otros metales y puede reducir la resistencia del conductor.
- Menor inductancia. Lo mejor es aumentar la superficie de tierra. En la práctica, los cables de tierra cortos y la superficie de tierra grande ofrecen un mejor rendimiento antiinterferencias.
Llegados a este punto, algunos se preguntarán qué se entiende por circuito de alta frecuencia. Según el libro del profesor Yang Jishen Tecnología de compatibilidad electromagnética (CEM), Normalmente, los circuitos por debajo de 1 MHz son de baja frecuencia y pueden utilizar un solo punto de tierra. Los circuitos por encima de 10 MHz son de alta frecuencia y deben utilizar una toma de tierra multipunto. Si el cable de tierra más largo es inferior a 1/20 de la longitud de onda a 1 MHz o 10 MHz, la conexión a tierra de un solo punto puede funcionar. En caso contrario, utilice una toma de tierra multipunto.
D. Terreno mixto
Si el circuito tiene señales de alta y baja frecuencia, la conexión a tierra mixta es una buena opción. (El texto original hacía referencia a otra figura aquí).
Observa la figura y las dos estructuras que se muestran. Para la primera estructura supongamos que funciona principalmente en un entorno de baja frecuencia. A partir de la fórmula de reactancia capacitiva Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 sabemos que a baja frecuencia la reactancia capacitiva es grande, mientras que a alta frecuencia es pequeña. Por lo tanto, en este cableado la conexión a tierra está abierta a baja frecuencia y casi cerrada a alta frecuencia. Este cableado puede evitar interferencias de bucle de tierra.
En el caso de la segunda estructura, supongamos que funciona principalmente en un entorno de alta frecuencia. Por la fórmula de la reactancia inductiva ZL=2πfLZ_L = 2\pi f LZL=2πfL sabemos que la reactancia inductiva es pequeña a baja frecuencia y grande a alta frecuencia. Por lo tanto, en este cableado el enlace a tierra se comporta como un conductor a baja frecuencia y está abierto a alta frecuencia. Este cableado puede evitar corrientes de bucle de tierra.
3 - Formas de conectar diferentes masas
Si no se opta por utilizar un plano entero como masa común, y un módulo tiene dos redes de tierra, hay que dividir el plano de tierra. Esto suele interactuar con el plano de potencia. Las formas de conectar las masas son:
- Trazado ordinario entre suelos. Esto proporciona una conexión fiable de baja impedancia para señales de frecuencia media y baja.
- Resistencia alta entre masas. Una resistencia grande permitirá una pequeña corriente de fuga si aparece una tensión a través de ella. De este modo, la carga se irá descargando lentamente hasta que la diferencia de potencial sea cero. Utilícelo para conectar las masas flotantes con cuidado.
- Condensador entre masas. Un condensador bloquea la CC pero deja pasar la CA. Utilízalo en sistemas de tierra flotante para pasar el ruido de alta frecuencia mientras bloquea la CC.
- Perla de ferrita (perla magnética) entre masas. Una perla de ferrita actúa como una resistencia dependiente de la frecuencia. Parece resistiva para frecuencias altas. Utilízala para conexiones a tierra de señales débiles con pequeños picos de corriente rápida.
- Inductor entre masas. Un inductor resiste los cambios rápidos. Puede suavizar los picos y rellenar los valles. Utilízalo entre masas que tengan grandes oscilaciones de corriente.
- Pequeña resistencia entre masas. Una pequeña resistencia añade amortiguación para ralentizar los cambios rápidos de la corriente de masa. Cuando la corriente cambia rápidamente, esta resistencia hace que el flanco de subida sea menos pronunciado.
Todas estas opciones permiten controlar cómo se transfiere el ruido de un terreno a otro.
4 - Tierra analógica y tierra digital
Tanto las señales analógicas como las digitales necesitan un retorno a tierra. Las señales digitales cambian rápidamente. Hacen mucho ruido en la tierra digital. Las señales analógicas necesitan una tierra de referencia limpia para funcionar bien. Si las tierras analógica y digital se mezclan, el ruido de la tierra digital afectará a las señales analógicas.
En general, separa las masas analógica y digital. Luego conéctalas con una traza fina o en un único punto. La idea principal es evitar que el ruido de tierra digital llegue a la tierra analógica.
5 - Estrella de tierra
La teoría en la que se basa la conexión a tierra en estrella es que hay un punto en el circuito que sirve de referencia para todas las tensiones. Es el punto estrella. Puede imaginárselo: muchos cables salen de un punto común en un patrón radial como los rayos de una estrella. El punto estrella puede no parecer una estrella en la placa. Puede ser un punto en el plano de tierra. Una característica clave de un sistema de tierra en estrella es que todas las tensiones se miden en relación con el mismo punto de la red de tierra, no con una referencia “tierra” incierta.
6 - Cómo conectar a tierra los blindajes
La pantalla de un cable apantallado y el hilo de drenaje del cable deben conectarse a la toma de tierra de la interfaz de la placa, no a la toma de tierra de la señal. Esto se debe a que la tierra de señal a menudo transporta muchas tensiones de ruido. Si la pantalla se conecta a la tierra de señal ruidosa, la tensión de ruido conducirá corriente en modo común a la pantalla y causará interferencias externas. Un mal diseño del cable y una mala conexión a tierra de la pantalla suelen ser la principal fuente de EMI.
Resumen
En la práctica, elija el método de conexión a tierra que se adapte al entorno operativo. Una buena elección puede evitar interferencias y ofrecer el mejor rendimiento del circuito.
- Mantenga los bucles de retorno pequeños para reducir la radiación.
- Mantenga las trazas de alta velocidad junto a planos de tierra continuos para conseguir una impedancia estable.
- Evite cruzar las divisiones de planos de potencia siempre que sea posible.
- Para sistemas de baja frecuencia (< 1 MHz) suele funcionar la puesta a tierra en un solo punto.
- Para los sistemas de alta frecuencia (> 10 MHz), utilice tomas de tierra multipunto y trayectos de tierra cortos con mucha superficie de retorno.
- Para sistemas mixtos, utilice un enfoque híbrido con condensadores, inductores, resistencias, perlas de ferrita o pequeñas trazas para controlar el acoplamiento.
- Separa las masas analógica y digital y únelas con cuidado.
- Ate los blindajes de los cables a la masa del conector o a la masa del chasis, no a la masa de la señal ruidosa.
Estos pasos ayudarán a disminuir la impedancia de tierra y reducir el ruido de tierra, por lo que el sistema será más estable y fiable.
