¿Cómo un plano de tierra reduce el ruido en una PCB? Obtenga más información en este artículo técnico.
¿Por qué debería usar un plano de tierra siempre que sea posible en el diseño de PCB? Un plano de tierra reduce la inductancia de la ruta de retorno de la señal. Esto, a su vez, minimiza el ruido de las corrientes de tierra transitorias.
En este artículo, discutiremos cómo funciona una ruta de señal en una PCB multicapa y el concepto de inductancia de ruta de retorno.
Considere una placa de dos capas como se muestra en la Figura 1. La capa inferior es un plano de tierra y una fuente de corriente está conectada a una traza en forma de U en la capa superior. La traza de la capa superior está conectada a la capa inferior a través de VIA1 y VIA2.
Primero, como se muestra en la Figura 2, se inyecta una corriente continua en la traza de la capa superior.
La corriente baja por el rastro en forma de U. Luego, a través de VIA1, llega al plano de tierra. ¿Qué parte del plano de tierra conducirá la corriente de regreso a VIA2? Podemos imaginar el plano de tierra como un número infinito de trazas estrechas que están en paralelo. La corriente elegirá las trazas que exhiben una impedancia relativamente menor. Dado que la ruta directa de VIA1 a VIA2 es la más corta y tiene la menor resistencia, la mayor parte de la corriente fluirá a través de esta ruta. A medida que nos alejamos de este camino de menor resistencia, la densidad de corriente disminuirá rápidamente.
Ahora, suponga que inyectamos una corriente alterna en la traza en forma de U.
¿Tomará el mismo camino que la corriente DC?
La corriente continua tomó el camino de menor impedancia (o menor resistencia). Para una corriente alterna, la impedancia depende tanto de la resistencia como de la inductancia de la ruta. Si bien el camino más corto ofrece la menor resistencia, no necesariamente ofrece la menor inductancia. La inductancia de una ruta depende del área del bucle creado por el flujo de corriente. La Figura 3 muestra un ejemplo de bucle de corriente que la señal traza y su ruta de retorno crea. Si el área del circuito formado por el flujo de corriente aumenta, la inductancia aumentará proporcionalmente.
Por ejemplo, la ruta de retorno roja en la Figura 4 crea un bucle más grande que la ruta verde. Por lo tanto, entre estos dos caminos, la corriente alterna pasa por el camino verde, que tiene una inductancia menor. Para la impedancia general de un camino, deberíamos considerar tanto la resistencia como la inductancia. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de la señal de CA, la contribución de la inductancia a la impedancia del camino eventualmente se convierte en órdenes de magnitud mayores que la de la resistencia. Por lo tanto, como se muestra en la Figura 4, la corriente de retorno de alta frecuencia fluirá directamente debajo de la traza en forma de U para minimizar el área del bucle (estamos ignorando la resistencia del camino por simplicidad). A medida que nos alejamos de este camino en el plano de tierra, la densidad de corriente disminuirá rápidamente.
Para el ejemplo anterior, tenemos un plano de tierra que se puede imaginar como un número infinito de caminos paralelos estrechos. La corriente de retorno fluye a través de esos caminos que minimizan la impedancia. Con una placa de dos capas, no podemos permitirnos un plano de tierra. En este caso, podemos tener una sola pista (en lugar de un plano) para la corriente de retorno. La corriente se ve obligada a pasar por este camino, a pesar de que puede exhibir una inductancia significativa. Para algunos rastros de señal críticos de una placa de dos capas (como señales de reloj), podemos enrutar una ruta de retorno apropiada, pero no podemos hacer esto para todas las trazas en la placa. ¿Cómo podemos reducir la inductancia de la ruta de corriente para todas las trazas en una placa de doble cara? Pronto discutiremos un sistema de tierra eficiente para tableros de dos capas, pero antes veamos brevemente los mecanismos por los cuales la inductancia del camino de tierra aumenta el ruido de la placa.
Se puede obtener un modelo simple para la inductancia de la ruta de retorno colocando un inductor en serie con la tierra del esquema del circuito. En la Figura 5 se muestra un ejemplo. Suponga que la salida de la puerta 1 va de lógica alta a lógica baja. Esto descargará la carga eléctrica almacenada en CEXTRAVIADO a través del camino de tierra. Teniendo en cuenta las rápidas puertas lógicas de hoy, la descarga tendrá lugar en un corto período de tiempo (∆t) La corriente de descarga fluirá a través de la inductancia de tierra. Si la corriente a través del inductor cambia por ∆yo durante la transición lógica, el terreno de las puertas lógicas rebotará en $$ V = L frac {∆I} {∆t} $$.
En este caso, la salida de las puertas que están en lógica baja (puerta 2 en la Figura 4) experimentará un pulso de voltaje de ruido. Si es lo suficientemente grande, este voltaje de ruido puede conducir a una transición no deseada en la salida de la puerta 4.
Además, como se muestra en la Figura 4, el voltaje de ruido de fondo se puede acoplar a los cables que salen de la PCB. Actuando como una antena, estos cables pueden irradiarse y causar problemas de EMC.
La figura 5 revela otro mecanismo interesante por el cual la inductancia del suelo puede causar problemas. Cuando la salida de la puerta 1 pasa de lógica alta a lógica baja, los transistores dentro de la puerta 1 conectan la capacitancia parásita al inductor creado por la ruta a tierra. Si el transistor que conecta CSTRAY a la inductancia de tierra presenta una pequeña resistencia, se creará un circuito resonante de la serie Q alta. Esto puede conducir a transiciones de puerta lógica con un timbre considerable. Si no podemos reducir la inductancia de tierra lo suficiente, es posible que necesitemos agregar una resistencia (por ejemplo, 51 Ω) en serie con la salida de la compuerta para amortiguar el sonido.
Los mecanismos de ruido anteriores muestran que la inductancia del camino de tierra es de suma importancia cuando se diseña una PCB. Como se discutió anteriormente, una placa de varias capas nos permite tener planos de tierra sólidos, lo que puede reducir significativamente la inductancia de tierra. Sin embargo, con una placa de doble cara, tenemos que recurrir a otras técnicas para implementar un sistema de tierra de baja inductancia.
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