El desafío de la conexión a tierra

Altium Designer le ofrece la variedad de métodos que necesita para resolver todos los diferentes desafíos de conexión a tierra en todos los diferentes tipos de diseño.

INTRODUCCIÓN

La puesta a tierra ha demostrado ser uno de los mayores desafíos en el diseño moderno de Placas de Circuito Impreso PCB. Los circuitos continúan volviéndose más complejos con el tiempo, a medida que las nuevas tecnologías los hacen más pequeños, y seguimos haciendo la transición de analógico a digital. Y estos dispositivos más pequeños, más inteligentes y más conectados están presentando una variedad de desafíos crecientes cuando se trata de conectar correctamente sus circuitos a tierra. Y ese desafío no promete ser más fácil en el futuro previsible. Desafortunadamente, no hay un manual en el que podamos buscar cómo resolver la miríada de desafíos que podemos enfrentar en la puesta a tierra. Si lo hubiera, podríamos simplemente tenerlo a mano durante el proceso de diseño y no preocuparnos. Sin embargo, en cambio, tenemos que pasar por una serie de tareas pequeñas y aparentemente insignificantes en el proceso de puesta a tierra, con el conocimiento de que cualquier paso en falso puede hacer que el diseño falle y necesite ser rediseñado. Como resultado, terminas excediendo el presupuesto y retrasándote, ya que tu Tiempo para Llegar al Mercado aumenta, y tus competidores tienen más oportunidad de lanzar su versión del producto antes de que tú lances la tuya. Todo esto y un montón de otros problemas pueden resultar de los desafíos de puesta a tierra. Entonces, ¿cómo enfrentas esos desafíos y eliminas errores? Vamos a ver.

LOS MUNDOS DIGITAL Y ANALÓGICO YA SE HAN FUSIONADO

Mencionamos la "transición" anteriormente de analógico a digital, pero eso es en realidad algo inexacto. De hecho, los mundos analógico y digital se están fusionando, haciendo que el aterrizaje sea un problema tanto para tipos de diseños, a veces simultáneamente.

MÉTODOS PARA UN ADECUADO ATERIZAJE

Entonces, ¿qué significa esto para tu proceso de diseño? Significa que necesitas tomar control de los voltajes de retorno de señal y estar atento a las señales de tierra espurias que pueden disminuir el rendimiento. Estas pueden ocurrir debido a corrientes comunes, acoplamiento de señales (tanto internas como externas), etc. Con las técnicas adecuadas, puedes minimizar ese ruido y deshacerte de la mayoría de los voltajes parásitos.

Esto nos lleva directamente a nuestra discusión sobre un entorno de señal mixta, analógico/digital. Los ICs de señal mixta son un ejemplo perfecto, teniendo puertos tanto digitales como analógicos, lo que añade desafíos extra al aterrizaje. Para hacer las cosas aún más desafiantes, algunos ICs de señal mixta tienen corrientes digitales relativamente bajas, mientras que otros tienen corrientes significativamente más altas. Por lo tanto, estos dos tipos tienen necesidades muy diferentes en términos de aterrizaje óptimo, y deben ser tratados de manera diferente.

Además, lo que funciona en un rango de frecuencias no siempre funciona en otro. La clave está en reconocer cómo fluye la corriente. Para obtener una imagen más clara del tema, hablemos un poco ahora sobre algunas de las filosofías generales que existen cuando se trata de métodos de conexión a tierra en dispositivos de señal mixta. Existen varios métodos diferentes que se utilizan comúnmente.

1) Conexión a Tierra Estrella:

La teoría de la conexión a tierra estrella refiere todas las señales a un único punto de tierra. El elemento clave es el punto "estrella" único, desde el cual se miden todos los voltajes respectivos. Centrarse en un único punto deja sin definir una tierra que de otro modo causaría valores incorrectos para su medición. Desafortunadamente, aunque este método funciona bien en teoría, a menudo puede ser un poco difícil de poner en práctica en un escenario del mundo real.

Topología de Conexión a Tierra Estrella

2) Uso de Planos para Blindaje:

Leyenda de Apilado de Capas

En la mayoría de los casos, el uso de planos de tierra comienza con una sola capa en una placa multicapa, o la parte inferior de una Placa de Circuito Impreso de doble cara, que está completamente hecha de cobre. Dado que la resistencia del lado inundado es lo más baja posible, hace un escudo perfecto, permitiendo que la capa se utilice para la conexión a tierra. Debido a que también se extiende sobre el tamaño total de la capa, ofrece la inducción más baja posible, así como la mejor conducción posible, en términos de minimizar voltajes de tierra espurios diferentes.

También podemos incluir planos de voltaje. Funcionan con el mismo principio, inundando la capa completa y teniendo la ventaja de un conductor de muy baja impedancia. Esto se dedica entonces a cada plano por sistema de Voltaje, de modo que un sistema puede tener más de un plano. De nuevo, esto suena bien en teoría, pero no siempre es la mejor solución en la práctica. El plano en sí todavía tiene una resistencia residual y una inductancia. En algunas circunstancias, eso puede ser suficiente para impedir que el circuito funcione de la manera que se espera. Especialmente si inyectamos corrientes muy altas en un plano, puede causar una caída de voltaje que interfiere con la función del circuito. Otra ventaja de los planos de tierra es la posibilidad de usar técnicas de microstrip o stripline controladas por impedancia, para el uso de señales analógicas o digitales de alta velocidad.

3) Separando Tierra Analógica de Digital:

Es una verdad universalmente reconocida que los circuitos digitales son mucho más ruidosos que los analógicos, particularmente los circuitos lógicos como TTL o CMOS. Los circuitos lógicos a menudo solo usan unos pocos cientos de milivoltios, lo que los hace casi inmunes a entornos ruidosos. Sin embargo, también generan mucho de su propio ruido.

Los análogos, por otro lado, son mucho más vulnerables al ruido externo, pero no generan mucho por sí mismos. Esto significa que al combinar circuitos analógicos y digitales, el rendimiento de los análogos puede corromperse fácilmente por el ruido digital, a menos que los dos estén separados.

Cuando además incluyes componentes como RAM, ventiladores y otros dispositivos de alta corriente, de repente ya no es adecuado operar tus sistemas en un ambiente ruidoso sin el blindaje adecuado.

La solución es mantener unidos el tierra analógico y el digital en un único punto en tu sistema, y referir todas las señales a un potencial común, similar al sistema de punto estrella pero manteniendo el blindaje adecuado. El punto único necesita ser elegido sabiamente ya que la ubicación puede tener mucha influencia sobre el circuito completo. En la mayoría de los casos, ubicarlo cerca de la fuente de alimentación te dará los mejores resultados. Por lo tanto, un análisis de la corriente fluyente suele ser útil, para proporcionar una mejor visión general del diseño.

Señal Ruidosa

RESUMÁMOSLO

Entonces, de todos los métodos que hemos discutido, ninguno ofrece una solución 100% efectiva para cada diseño. Entonces, ¿qué puedes hacer? Considera cuidadosamente tus opciones para cada diseño y determina cuál solución funcionará mejor, basado en las características del diseño. Especialmente cuando se trabaja con dispositivos de señal mixta, es esencial tener a mano un sistema que pueda soportar cualquier tecnología que necesites usar, y te ayude a implementar una puesta a tierra adecuada que ofrezca los mecanismos de control apropiados, basado en tu entorno de diseño dado.

CÓMO PODEMOS AYUDARTE

Hemos visto que hay múltiples métodos disponibles para cómo se puede lograr la puesta a tierra, así como la importancia de controlar los métodos de análisis. El problema es abordar todos estos temas en una sola herramienta. Sin embargo, Altium Designer ofrece exactamente eso..

Utilizando nuestros diversos complementos y características, como Net-Ties, podemos conectar varias señales diferentes en un lugar para crear una conexión a tierra en estrella. Los planos se implementan directamente en nuestro paquete de capas y están listos para usarse al instante. La herramienta también ofrece la opción de usar planos divididos y definir el estilo de conexión de manera rápida y fácil de usar. El cobre inteligente, conocido como Polígonos, se puede utilizar para el fácil relleno de áreas definidas. También admite tecnologías de tramado que son ajustables con un solo clic.

Con soporte tecnológico adicional para diversas características de análisis a través de nuestro sistema de complementos, siempre estás un paso adelante del problema y listo para enfrentar cualquier desafío de conexión a tierra que pueda surgir.