Prevenire i Loop di Massa nella Tua Concezione PCB

Credo che ci siamo passati tutti. Compri quel meraviglioso stereo solo per poi ascoltare quel brusio familiare di fondo. Quando poi lo riporti al negozio il commesso incolperà il produttore. Il produttore dello stereo, a sua volta, incolperà il fabbricante dei componenti e il fabbricante di componenti non può prendersela con nessuno. In realtà, la fonte del problema sono i loop di massa che si formano a causa di un design scadente.   

I loop di massa generano rumore nei circuiti elettrici. Quantità elevate di corrente possono trovarsi in piani di massa, ed una tensione differenziale nei collegamenti a terra (messa a terra) causa la formazione di un loop (in italiano anello) di massa. Ronzio o brusio di fondo in alcuni sistemi audio sono giusto una manifestazione di un rumore generato da ritorni di massa.

Perchè il Routing “a terra” è importante in ogni caso?

Se ricordi la tua lezione di Elettronica 101, sai che tutte le correnti elettriche si muovono intorno a circuiti chiusi. Su un anello di massa in un PCB, i segnali sono instradati attorno alla scheda usando segnale e tracce di ritorno vicine. Non appena il segnale aumenta alla potenza completa e si muove lungo la scheda, cerca di indurre un segnale di ritorno nella traccia di ritorno vicina. In altre parole, il segnale e le tracce di ritorno creano un ciclo corrente, e la forza del ritorno indotto aumenta con una zona del ciclo più piccola.

Quindi è importante? Ciò significa che se vuoi assicurarti un segnale di ritorno del suolo, il tuo segnale e le tracce di ritorno andrebbero piazzate il più vicino possibile. poichè le tracce di segnale sono tipicamente montate nella parte superiore della scheda, è naturale instradare le tracce di ritorno direttamente sotto le tracce di segnale. Ciò aiuta a ridurre EMI e a mantenere le zone di ciclo del circuito al minimo con una disposizione PCB. Ground Plane Connections

Piuttosto che e i ritorni di traccia direttamente uno sull’altro, puoi posizionare un piano di conduzione sotto le tracce di segnale, e a massa. Posizionando questo piano di massa sotto le tracce di segnale, il segnale di ritorno sarà indotto in maniera naturale sotto la traccia di segnale ed il tuo circuito sarà completo. Rather than route signal and return traces directly on top of each other, you can place a conducting plane below signal traces and ground it.  

Quando il piano di massa è montato direttamente sotto il piano contenente le tue tracce di segnale, tutte le tue tracce di segnale indurranno la propria traccia di ritorno direttamente nel piano di massa. Ciò dovrebbe dimostrare la convenienza nell’usare un ampio piano di massa per instradare segnali di ritorno anzichè instradare tracce di ritorno individualmente.  

Nessun piano di massa è un conduttore perfetto; mantiene resistenza ed induttanza. Se due tracce di segnale connettono al piano di massa in punti diversi, una piccola tensione differenziale può apparire fra queste due connessioni. Questa è la principale fonte di loop di massa di PCB nel piano di massa. Il loop di massa e la via di ritorno potenziale tendono ad essere in ordine di microvolt, ma comunque abbastanza per causare problemi di integrità di segnale, specialmente in dispositivi a bassa corrente.

Una pianificazione appropriata può limitare svariati potenziali problemi di loop di massa

Mentre il rumore che aumenta dovuto ai loop di massa non può mai essere completamente eliminato, può essere notevolmente ridotto così da minimizzare i suoi effetti sull’integrità del segnale. Anziché connettere connessioni di massa a punti diversi, è meglio instradare tracce ad una massa comune con il piano di massa. Ciò minimizza ogni eventuale potenziale differenziale fra connessioni del piano di massa PCB semplicemente riducendo la distanza fra di loro.  

Il ritorno di massa all’alimentazione dovrebbe essere inoltre connesso al piano di massa ad un punto singolo. Quando un piano di massa è connesso all’alimentazione solo ad un punto singolo, l’intero piano di massa si terrà quasi allo stesso potenziale. Se il piano di massa è connesso all’alimentazione in più punti, si possono formare loop di massa a causa della tensione differenziale fra queste connessioni. Usando una connessione singola e appropriata di massa elimina questi loop (anelli).

La Giusta Topologia

Sfortunatamente, solo concezioni più semplici con bassa interconnettività di componente permetterà l’inserimento di un piano di massa che si estende sotto ogni traccia di segnale. Estendendo un piano di massa sotto tracce di segnale è generalmente una buona idea in dispositivi a frequenza più bassa. Mantenendo l’area delimitata dalle tue tracce di segnale e il piano di massa piccolo anche riduce la suscettibilità alle Interferenze Elettromagnetiche (EMI) Esterne .  

Estendendo l’ampio piano di massa sotto ogni componente potrebbe neanche essere piacevole in applicazioni ad alta frequenza. Per esempio, in circuiti alta frequenza a segnale misto basati su oscillatori al cristallo, posizionando un piano di massa direttamente sotto il segnale di temporizzazione crea un’antenna a microstriscia centralizzata. Ciò aggraverà problemi di EMI, e l’integrità del segnale degraderà senza una schermatura considerevole.  

Se scegli di utilizzare piani di massa multipli, i loop di massa possono essere evitati usando la giusta tipologia. Al posto di connettere piani di massa in una sorta di anello o una connessione a margherita, i piani di massa possono essere connessi all’alimentazione a terra in una tipologia a stella. Connettendo a margherita i tuoi piani di massa può causare loop di massa fra piani di massa. Una tipologia a stella connette ogni piano direttamente all’alimentazione ed elimina loop (anelli) fra piani di massa.

Usa una tipologia a stella per connettere diversi piani di massa  

Quando sono usati diversi piani di massa nella tua concezione, bada ad evitare tracce di routing (instradamento) sui diversi piani di massa. Le tracce dovrebbero essere instradate solo sul loro stesso piano di massa. Ciò è particolarmente importante nelle concezioni a segnale misto. Per esempio, se un segnale digitale è instradato su un piano di massa analogico, un rumore di accoppiamento potrà presentarsi fra i segnali analogico e digitale. Questo va contro l’intero obiettivo della tipologia a stella.

Lo strumento di analisi PDN in Altium Designer ti permette di ottimizzare la tua concezione di modo che i problemi di integrità di segnale siano minimizzati. Inoltre, l’interfaccia di concezione 3D PCB può aiutare certamente a visualizzare le tue concezioni. Per saperne di più, parla con un esperto Altium oggi.  

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