Cómo Prevenir la Conexión a Tierra en el Diseño de tu PCB

Proper signal trace routing can prevent ground loops

Creo que todos hemos pasado por esto. Compras ese increíble sistema estéreo solo para escuchar el sonido de un zumbido familiar de fondo. Cuando lo devuelves a la tienda, el empleado culpa al fabricante. El fabricante de equipos de sonido luego culpa al fabricante de componentes y el fabricante de componentes no puede culpar a nadie. En realidad, la conexión a tierra que se forma debido a un diseño de mala calidad es la fuente del problema.

Las conexiones a tierra generan ruido en los circuitos eléctricos. Pueden existir grandes corrientes en los planos de tierra, y un diferencial de voltaje entre las conexiones de tierra provoca la formación de una conexión a tierra. Los sonidos de repiques o zumbidos en algunos sistemas de audio son solo una manifestación del ruido de la conexión a tierra.

¿Por qué la Conexión a Tierra es Importante de Todos Modos?

Si recuerdas tu clase de electrónica 101, sabes que todas las corrientes eléctricas se mueven alrededor de circuitos cerrados. En un bucle de tierra de PCB, las señales se enrutan alrededor del tablero utilizando señales y trazas de retorno cercanas. A medida que la señal se eleva al máximo y se mueve a través del tablero, intenta inducir una señal de retorno en la traza de retorno cercana. En otras palabras, las trazas de señal y retorno crean un bucle de corriente, y la fuerza del retorno inducido aumenta con un área de bucle más pequeña.

Entonces, ¿por qué es importante? Esto significa que si deseas garantizar una señal de retorno confiable a tierra, tu señal y las trazas de retorno deben colocarse lo más cerca posible. Como las trazas de señales se montan normalmente en la parte superior del tablero, es natural enrutar las trazas de retorno directamente debajo de las trazas de señales. Esto ayuda a reducir la EMI manteniendo las áreas de circuito en un mínimo con un diseño de pcb.

Conexiones de Plano de Tierra

En lugar de enrutar signos de señalización y retorno directamente una encima de la otra, puedes colocar un plano conductor debajo de las señales y ponerlo a suelo. Al colocar este plano de tierra debajo de las trazas de señal, la señal de retorno será inducida naturalmente debajo de la traza de señal y su circuito estará completo.

Cuando el plano de tierra se coloca directamente debajo del plano que contiene tus trazas de señal, todas tus trazas de señal inducirán su propia traza de retorno directamente en el plano de tierra. Esto debería ilustrar la conveniencia de usar un plano de tierra grande para enrutar las señales de retorno en lugar de enrutar las trazas de retorno individualmente.

Ningún plano de tierra es un conductor perfecto; tiene cierta resistencia e inductancia. Si dos trazas de señal se conectan al plano de tierra en diferentes puntos, puede existir un pequeño diferencial de voltaje entre estas dos conexiones. Esta es una fuente importante de conexiones de tierra de PCB en el plano de tierra. Potenciales de conexión a tierra y ruta de retorno tienden a ser el orden de los microvoltios, pero esto todavía es suficiente para causar problemas de integridad de la señal, especialmente en dispositivos de baja corriente.

 

PCB schematic and finished board

La planificación adecuada puede mitigar varios problemas potenciales de conexión a tierra

Mientras que el ruido que surge debido a la conexión a tierra nunca se puede eliminar completamente, puede reducirse significativamente de tal manera que sus efectos sobre la integridad de la señal se minimizan. En lugar de conectar conexiones a tierra en diferentes puntos, es mejor encaminar trazas a una conexión a tierra con el plano de tierra. Esto minimiza cualquier diferencial de potencial entre las conexiones de PCB a los planos de tierra simplemente reduciendo la distancia entre ellos.

El retorno a tierra de la fuente de alimentación también se debe conectar a un plano de tierra en un solo punto. Cuando un plano de tierra está conectado a la fuente de alimentación solo en un punto, la totalidad del plano de tierra se mantendrá a casi el mismo potencial. Si el plano de tierra está conectado al retorno de la fuente de alimentación en múltiples puntos, se pueden formar conexiones a tierra debido al diferencial de voltaje entre estas conexiones. El uso de un solo punto de conexión a tierra adecuado elimina estos circuitos. 

La Topología Correcta

Desafortunadamente, solo los diseños más simples con baja interconectividad de componentes permitirán la colocación de un plano de tierra que se extienda por debajo de cada rastro de señal. La extensión de un plano de tierra por debajo de las trazas de señal es generalmente una buena idea en dispositivos de baja frecuencia. Mantener el área encerrada entre sus trazas de señal y el plano de tierra pequeño también reduce la susceptibilidad a la EMI externa.

La extensión del plano de tierra grande debajo de cada componente puede incluso no ser deseable en aplicaciones de alta frecuencia. Por ejemplo, en los circuitos de señal mixta de alta frecuencia impulsados por osciladores de cristal, la colocación de un plano de tierra directamente debajo del reloj de señal crea una antena de parche alimentada desde el centro. Esto en realidad exacerbará los problemas de EMI, y es probable que la integridad de la señal se degrade sin un blindaje significativo.

Si eliges usar varios planos de tierra, se pueden evitar las conexiones a tierra entre los planos de tierra utilizando la topología adecuada. En lugar de conectar planos de tierra en una topología en forma de anillo o en cadena, los planos de tierra se pueden conectar a la tierra de la fuente de alimentación en una topología en estrella. Las conexiones encadenadas de tus planos de tierra pueden causar conexiones de tierra entre planos de tierra. Una topología en estrella conecta cada plano directamente a la fuente de alimentación y elimina los circuitos entre los planos de tierra.

Metallic spheres connected in a start-type-shape

Utiliza una topología en estrella para conectar múltiples planos de tierra

Cuando se utilizan varios planos de tierra en tu diseño, ten cuidado de evitar trazar rutas sobre múltiples planos de tierra. Las trazas solo deben enrutarse sobre su propio plano de tierra. Esto es especialmente importante en el diseño de señal mixta. Por ejemplo, si una señal digital se enruta sobre un plano analógico de tierra, puede ocurrir un acoplamiento de ruido entre las señales digitales y analógicas. Esto acaba con todo el propósito de la topología de la estrella.

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Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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