Comprendere il piano di massa nei PCB a due strati

Quando ero uno studente giovane e ambizioso, avevo utilizzato il mio primo piano di massa di un PCB per raccogliere dati analogici provenienti da vari sensori. Quando poi avevo analizzato il grafico di tensione, avevo verificato come i disturbi fossero talmente elevati, che mascheravano il segnale che stavo cercando di misurare. In poco tempo realizzai di come avessi pasticciato le connessioni del piano di massa e gli anelli di massa stessero rovinando i miei segnali.

Posizionare il piano di massa correttamente e realizzare nel modo giusto le connessioni di terra, sono fattori critici nei PCB dotati di due o più strati. Fare questo nel modo giusto riduce le interferenze elettromagnetiche, i fenomeni di crosstalk e gli anelli di massa. Queste sorgenti di disturbi degradano l’integrità del segnale. Un buon progetto del piano di massa del PCB assicura che i dispositivi abbiano le prestazioni migliori.

Per cui dove posizionare il piano di massa di un PCB?

Se siete agli inizi della vostra carriera di progettisti di PCB, potrete aver sentito menzionare termini come “piano di massa”, “interferenze elettromagnetiche” e “tracce”. Il vostro primo PCB sarà, molto probabilmente, un circuito a due strati. Alcuni di questi termini sono facili da definire e da capire, ma come mettere insieme tutte le conoscenze per costruire un PCB di elevata qualità? 

In un PCB a due strati, i piedini di terra di solito sono presenti sullo strato inferiore della scheda e le tracce del segnale e i componenti appaiono sullo strato superiore. Invece di piazzare tracce di ritorno sulla scheda ed inviare ciascuna connessione al cavo di terra dell’alimentazione, è meglio inviare i segnali al piano di massa. 

Ci sono varie ragioni per le quali questo approccio è migliore. In primo luogo, se i segnali di ritorno transitano nel piano di massa essi seguono le loro tracce in modo più preciso. Questo minimizza l’area del circuito che contiene i segnali elettrici. Se la distanza tra la traccia di un segnale e il suo ritorno viene minimizzata, il circuito stesso è meno suscettibile a problematiche come interferenze elettromagnetiche e crosstalk.

Prevenire le interferenze elettromagnetiche mediante un corretto instradamento

Progettare il piano di massa di un PCB per le massime prestazioni

Quando si inserisce un piano di massa nel layout di un PCB, occorre tenere presente la locazione delle tracce e dei componenti elettronici. Alcuni progettisti di circuiti elettronici hanno l'abitudine di posizionare il piano di massa al di sopra dell’intero strato inferiore, per poi rimuovere le parti che contengono i componenti elettronici. Questo metodo crea dei problemi in quanto, potenzialmente, è possibile creare un piano di massa che forma un anello conduttivo che circonda i componenti.

Ci si potrebbe domandare perché questo debba essere evitato. Il problema è che, se il piano di massa forma un anello intorno ad un componente, allora il piano di massa stesso diventa suscettibile alle interferenze elettromagnetiche. Un anello conduttivo chiuso nel piano di massa, agisce infatti come un induttore, dunque un campo magnetico esterno può indurre una corrente elettrica che attraversa il piano di massa. Questa corrente viene chiamata anello di massa e può causare disturbi in tutto il PCB. 

È importante ricordare tutto questo nella fase di determinazione del layout. Occorre essere creativi nella disposizione dei componenti e delle tracce. È una buona idea disporre i componenti in modo che le tracce che li collegano siano le più corte possibili. Una volta mappate le tracce, posizionate il piano di massa in modo che sia disposto completamente al di sotto di esse.

Quando si inizia questo procedimento, si potrà notare come alcune tracce non possono essere coperte a meno di formare un anello nel piano di massa. In questo caso può essere necessario dover muovere tracce e componenti sulla scheda, fino ad arrivare ad un layout migliore. Prendetevi tutto il tempo necessario, i vantaggi che si ottengono valgono lo sforzo aggiuntivo. 

Il passo finale richiede che le tracce vengano fatte ritornare sul piano di massa attraverso un foro. Può sembrare una buona idea creare velocemente delle connessioni, dallo strato superiore al piano di massa. Fare questo, tuttavia, crea un differenziale di tensione e crea anelli di massa. Una soluzione migliore è quella di convogliare tutte le tracce in un’unica connessione al piano di massa.

PCB a due strati? Piani di massa multipli

A causa dei problemi menzionati qui sopra, una scelta migliore è quella di usare piani di massa multipli. Possono rendere l’instradamento e il posizionamento dei componenti più semplice. Fare questo è pratica comune nella maggior parte dei progetti dei PCB multistrato.

Se dovete utilizzare piani di massa multipli, è importante che non vengano collegati a catena l’uno con l’altro. Collegare in catena i piani di massa e collegare i ritorni a ciascun piano, equivale a posizionare tracce di ritorno multiple su punti diversi di un singolo piano di massa. Un metodo migliore è quello di collegare ciascun piano di massa all’alimentazione separatamente, nella cosiddetta topologia a stella. Ciò isola tra loro i vari piani di massa e previene la formazione di anelli di massa.

Si può creare efficacemente un piano di massa in un PCB a due strati utilizzando la tecnica chiamata “gridding”. In questa tecnica, le tracce di alimentazione e di terra sono tracciate in modo differenziale, imitando una coppia di linee di trasmissione di energia. Ciascuna traccia di terra può essere espansa per riempire quanto più possibile lo spazio vuoto nel PCB e tutto il restante spazio vuoto può essere riempito con piani di massa. Questa tecnica fornisce ad una scheda a due strati lo stesso livello di riduzione dei disturbi che si può ottenere con una scheda a quattro strati.

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