Aprenda a utilizar la técnica de tierra cuadriculada para reducir el ruido en una PCB de doble cara.

Los planos de tierra de una placa multicapa pueden mejorar significativamente el rendimiento de ruido de un circuito. Con una placa de doble cara, generalmente no podemos tener un plano de tierra y esperamos tener más ruido y emisiones. Debido a esta limitación, preferimos un tablero de varias capas a menos que los objetivos de costo nos obliguen a usar un tablero de dos capas.

Aunque no tenemos un plano de tierra con una placa de dos capas, todavía hay técnicas que pueden usarse para mejorar el rendimiento del circuito. Este artículo analiza la técnica de la red de tierra que nos permite implementar un circuito de tierra eficiente para una placa de doble cara.

¿Cómo puede un plano de tierra reducir el ruido de la placa? Con el fin de desarrollar una mejor comprensión del funcionamiento de la técnica de "cuadrícula de tierra", le ayudará a comprender primero la función de un plano de tierra en una PCB. Revise mi artículo sobre cómo un plano de tierra reduce el ruido de la placa si es necesario antes de continuar.

¿Qué es un plano de tierra cuadriculado?

Una red de tierra es creada por una red de conexiones a tierra a través de la PCB. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, podemos tener algunas huellas horizontales en la capa inferior del tablero junto con algunas huellas verticales en la capa superior. Además, hay vías en las intersecciones de las trazas de tierra verticales y horizontales.

Figura 1. Imagen cortesía de TI.

¿Cómo puede la técnica anterior crear un sistema de tierra de baja inductancia? La cuadrícula en la Figura 1 es bastante gruesa. Se muestra una cuadrícula de tierra más fina en la Figura 2 (las trazas de tierra inferior y superior no se distinguen). La traza de señal conecta la salida de la puerta en la esquina superior izquierda a la entrada de la puerta en la esquina inferior derecha.

Figura 2. Imagen cortesía de EMC y la placa de circuito impreso.

Como puede ver, el bucle actual se puede cerrar a través de las muchas rutas de retorno alternativas que proporciona la cuadrícula de tierra. Aunque hay muchas rutas de retorno en paralelo, la mayor parte de la corriente fluirá a través de la ruta más cercana a la señal para minimizar la inductancia de la ruta. En la figura se muestra una posible ruta de retorno que puede exhibir una inductancia relativamente pequeña.

Tenga en cuenta que, con una cuadrícula de tierra, es posible que deba usar varias vías para enrutar una señal de señal a través de la PCB. Esto se muestra en la Figura 3 (no se mostró en el diagrama conceptual de la Figura 2).

Figura 3. Imagen cortesía de Introducción a la compatibilidad electromagnética.

Por lo tanto, es mejor tener la mayoría de las trazas de la capa superior ejecutándose verticalmente y la mayoría de las trazas de la capa inferior ejecutándose horizontalmente para que se requieran menos vias.

¿Cuán efectivo puede ser?

Una forma de examinar la efectividad de un sistema de tierra es midiendo el voltaje de ruido de tierra entre los diversos circuitos integrados en una placa. Un estudio comparó la diferencia de voltaje entre los pines de tierra de los circuitos integrados de una placa de dos capas que usa una red de tierra a la de un diseño similar con una tierra de un solo punto. El estudio muestra que la red de tierra puede reducir la diferencia de voltaje entre los pines de tierra de los circuitos integrados de 1000 mV a 100 mV (esta fue la mejor mejora entre las diversas combinaciones de los circuitos integrados). Según este estudio, la radiación de la placa se redujo en aproximadamente 7 dB cuando se aplicó la técnica de rejilla de tierra. Para obtener más detalles sobre esta investigación, consulte la Sección 10.5.3 de Ingeniería de compatibilidad electromagnética por Henry W. Ott.

Para lograr una reducción significativa en la inductancia del circuito de tierra, se debe utilizar una separación de la red de tierra de 0.5 pulgadas o menos. En general, a medida que aumenta la frecuencia de operación, es posible que necesitemos usar una cuadrícula más fina para proporcionar más caminos paralelos y reducir la inductancia del sistema de tierra. La técnica de red de tierra es compatible con circuitos que operan hasta 10 MHz; por encima de esta frecuencia se debe usar un plano de tierra.

Otras versiones de la técnica de cuadrícula de tierra

Diferentes libros y notas de aplicación han sugerido versiones ligeramente diferentes de la técnica de cuadrícula de tierra. Mientras que la cuadrícula de tierra de la Figura 1 se basa solo en las trazas de tierra, el libro Diseño digital de alta velocidad: un manual de magia negra por Howard Johnson y Martin Graham sugiere la cuadrícula que se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Imagen cortesía de Howard Johnson y Martin Graham de High Speed ​​Digital Design: A Handbook of Black Magic.

En este caso, las trazas verticales del suelo en la capa superior se reemplazan con trazas de potencia. Los miembros horizontales están conectados a tierra. Tenga en cuenta que estos rastros de tierra están en la parte inferior del tablero y son continuos; no son interrumpidos por las huellas de poder en la capa superior. La red de tierra de la Figura 4 funcionará porque la corriente de retorno de CA puede fluir de regreso a su fuente igualmente bien a lo largo de las trazas de tierra o de la energía. Como las vías no se pueden usar en este esquema, tenemos que usar condensadores de derivación en las intersecciones de las trazas vertical y horizontal. Estos condensadores deben ser de alta calidad para permitir que la corriente fluya fácilmente de regreso a su puerta de conducción.

También podemos tener rastros de tierra y poder en las capas superior e inferior. Esto se muestra en la Figura 5 a continuación.

Figura 5. Imagen cortesía de TI.

Esto ocupará más espacio en la placa, pero esperamos que muestre una inductancia más baja porque ahora la corriente de retorno puede fluir a través de las trazas a tierra y las trazas de potencia. La parte de la corriente de retorno que fluye a través de una traza de energía utilizará un condensador de derivación para alcanzar una traza de tierra cercana a través de la cual puede fluir de regreso a una puerta de conducción.

Si las limitaciones de espacio en el tablero no le permiten usar trazas anchas, puede implementar la cuadrícula usando trazas estrechas. Esto se muestra en la Figura 6.

Figura 6 Imagen cortesía de Electromagnetic Compatibility Engineering.

Una traza amplia puede proporcionar una resistencia más baja, lo cual es importante para consideraciones de baja frecuencia; sin embargo, incluso una traza estrecha puede agregar muchas rutas paralelas al sistema de red y disminuir la inductancia de tierra (una consideración de alta frecuencia).

Conclusión

La inductancia del camino de tierra puede aumentar el ruido de la placa a través de varios mecanismos diferentes. Una placa multicapa nos permite tener planos de tierra sólidos que pueden reducir significativamente la inductancia de tierra. Sin embargo, con una placa de doble cara, tenemos que recurrir a otras técnicas, como una red de tierra, para implementar un sistema de tierra de baja inductancia. Un estudio ha demostrado que una red de tierra puede reducir las emisiones en aproximadamente 7 dB y las disparidades de voltaje de tierra en un orden de magnitud.

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