Entender los planos de tierra en su PCB de dos capas

Planos de tierra en una PCB de dos capas

 

Cuando era un joven y ambicioso estudiante graduado, mi primer diseño de PCB se utilizó para recoger señales analógicas de varios sensores. Al mirar un gráfico del voltaje de mis mediciones, el nivel de ruido fue horrible y tapaba completamente la señal que estaba tratando de medir. Pronto me di cuenta que había fracasado totalmente en mis conexiones de plano de tierra y los bucles de puesta a tierra fueron arruinando mis señales.

Colocar el plano de tierra y el enrutamiento de las conexiones de tierra es uno de los pasos más importantes del diseño en una PCB con dos o más capas. Hacer esto correctamente puede ayudar a suprimir la EMI, interferencia y bucles de puesta a tierra. Estas fuentes de ruido degradarán la integridad de la señal y las técnicas de diseño de plano de tierra adecuadas asegurarán que el dispositivo muestre el máximo rendimiento.

Entonces, ¿dónde debo poner mi plano de tierra?

Si apenas está comenzando a incursionar en el diseño de PCB, puede escuchar términos como "plano de tierra", "EMI" y "pistas". Su primer diseño de PCB también suele ser una tarjeta de dos capas. Por supuesto, todos estos términos son fáciles de definir, pero ¿cómo poner esto todo junto para diseñar una PCB de alta calidad?

En una PCB de dos capas, el plano de tierra aparece generalmente en la capa inferior de la tarjeta y las pistas de señal y componentes aparecen en la capa superior. En lugar de colocar pistas de retorno en la tarjeta y enviar cada huella a la toma de tierra de la fuente de alimentación, es mejor enrutar las señales al plano de tierra.

Hay varias razones por las que esto se debe hacer. En primer lugar, si sus señales de retorno se ejecutan en el plano de tierra, las señales de retorno seguirán sus pistas de señal correspondientes lo más cerca posible. Esto minimiza el área de bucle del circuito que contienen sus señales eléctricas. Cuando la distancia entre un rastro de la señal y su retorno se reduce al mínimo, el bucle del circuito es menos susceptible a EMI y a interferencias.

 

Evitar la EMI con técnicas apropiadas de enrutamiento

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Diseñar su plano de tierra para obtener el máximo rendimiento

Al colocar un plano de tierra en su diseño de PCB, debe ser consciente de la ubicación de sus pistas y sus componentes electrónicos. Algunos diseñadores tienen tienden a colocar el plano de tierra sobre toda la capa inferior y luego retirar las partes que contienen componentes electrónicos. Esto crea un problema, ya que podría crear un plano de tierra que forma un anillo conductor alrededor de sus componentes electrónicos.

Entonces, ¿cuál es el problema? se preguntará. Si el plano de tierra forma un anillo alrededor de un componente, el plano de tierra en sí mismo ahora es susceptible a la interferencia deEMI. Un anillo conductor cerrado en el plano de tierra actúa como un inductor y un campo magnético externo que puede inducir una corriente eléctrica en el plano de tierra. Esta corriente se llama bucle de puesta a tierra y puede causar ruido excesivo en el resto de su PCB.

Esto es importante para tener en cuenta durante la fase de diseño. Necesitará ser creativo sobre cómo colocar sus componentes y sus enrutar sus pistas. Es una buena idea colocar componentes para que las pistas, entre ellas, sean lo más cortas posible. Una vez que ha enrutado sus pistas, coloque el plano de tierra para que se ejecute completamente debajo de ellas.

A medida que coloca su plano de tierra debajo de sus huellas, puede encontrar que algunas de sus pistas no pueden ser cubiertas sin formar un anillo en su plano de tierra. Puede que necesite mover pistas y componentes alrededor de la tarjeta hasta que pueda conseguir el diseño perfecto. Esto lleva algún tiempo adicional, pero vale la pena la inversión en el esfuerzo extra.

 

Software de diseño de circuito con técnicas de enrutamiento apropiadas

Evitar la EMI con técnicas apropiadas de enrutamiento

 

El paso final requiere que las pistas se enruten nuevamente hacia el plano de tierra con una vía de orificio pasante. Es tentador hacer muchas conexiones rápidas directamente en la capa superior al plano de tierra. Pero hacer varias conexiones al plano de tierra creará un voltaje diferencial entre cada vía, lo que formará bucles de puesta a tierra. La mejor solución es ejecutar todas las pistas en una sola conexión por vía al plano de tierra.

¿PCB de dos capas? Más de un plano de tierra

Debido al enrutamiento de pistas y del anillo de tierra mencionados anteriormente, puede ser mejor utilizar varios planos de tierra en su diseño de PCB. Esto puede facilitar la colocación de componentes y enrutamiento. Esta es una práctica común en la mayoría de losdiseños de PCB de múltiples capas.

Si tiene que utilizar múltiples planos de tierra, no deben ser encadenadas entre sí. Encadenar sus planos de tierra y conectar lugares de retorno a cada plano es equivalente a colocar múltiples pistas de retorno a diferentes puntos en un solo plano de tierra. Un mejor método es conectar cada plano de tierra a la fuente de alimentación en unatopología de estrella. Esto aísla los planos de tierra entre sí y evita bucles de puesta a tierra.

Un plano de tierra se puede crear con eficacia en una PCB de dos capas, usando una técnica llamada cuadriculado. Las pistas de corriente y tierra se enrutan de manera diferencial, imitando un par de líneas de energía. Toda pista de tierra se puede expandir para llenar tantos espacios vacíos de la PCB como sea posible y todos los espacios vacíos restantes se pueden llenar con planos de tierra. Esta técnica le dará a su tarjeta de dos capas el mismo nivel de reducción de ruido que una tarjeta de cuatro capas.

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