Los ingenieros utilizan la palabra «tierra» en todos los circuitos electrónicos para denotar alguna parte de un sistema o estructura que es «neutra», o de potencial cero. Por desgracia, a menudo pensamos que los circuitos y sistemas, especialmente los que tienen señales analógicas y digitales, tienen más de una tierra. Este concepto dio lugar a un reciente debate en una comunidad online de integración de señales, que nos impulsó a escribir este artículo. Los ingenieros y diseñadores de placas de circuito impreso mencionan a menudo varios tipos de conexiones a tierra y métodos para conectarlas. La forma en que se conectan esas «masas», que en realidad son vías de retorno, puede afectar significativamente al rendimiento de un sistema.

Los tipos de tierra mencionados en esta discusión incluyen:

• Tierra lógica
• Tierra analógica
• Tierra del chasis
• Tierra de seguridad
• Tierra de tierra

Los métodos propuestos para conectar estas diversas «tierras» cubren una amplia gama de opciones que incluyen:

• Conectarlos en un solo punto.
• Cortando el plano de tierra bajo un componente de señal mixta
• Conectándolos con condensadores.
• Segmentando el plano de tierra en una PCB de manera que sólo haya una conexión estrecha en un lugar entre los lados analógico y digital del diseño.
• Separando las tierras analógicas y digitales.

Figura 1 Símbolo de tierra lógica digital visto en la mayoría de los diagramas esquemáticos.

Estos métodos aparentemente conflictivos para tratar la tierra pueden ser un poco confusos. Empezaremos por aclarar qué es la tierra, lo que debería reducir la confusión.

La primera pregunta que podría hacerse es: ¿Cómo es posible que todos los elementos anteriores sean tierra? La respuesta es sencilla: Ninguno de ellos lo es. La tierra es el único lugar en un sistema electrónico que es un punto de referencia desde el que medimos los voltajes.

Si esa es la única definición, entonces ¿qué son estas otras cosas llamadas tierra?

La tierra lógica digital es el terminal de «referencia» de una fuente de alimentación para su lógica digital. Para la mayoría de los sistemas lógicos digitales, es el terminal negativo de la fuente de alimentación lógica, que suele mostrarse con el símbolo de la Figura 1.

La tierra analógica es el terminal de referencia de la fuente que alimenta un circuito analógico. Es donde se ata un lado de una fuente de señal analógica. El otro lado de la fuente de señal está ligado a la entrada o salida analógica. La toma de tierra analógica suele designarse con el símbolo de la figura 2.

Figura 2 Símbolo esquemático de la toma de tierra analógica.

La toma de tierra del chasis es el nombre que se da a la conexión del cable de seguridad de la red eléctrica a la carcasa de un producto. Recibe este nombre porque la carcasa de un producto suele llamarse chasis. Este cable suele ser el cable verde de un alargador, el de la red de tres hilos que se conecta a un producto, o la tercera clavija de un conector de CA (la redonda). Si se traza este cable verde a través de un edificio, finalmente se conectará a una estaca de cobre clavada en la tierra. El propósito de esta conexión es proteger al operador del producto en caso de que uno de los cables de la red eléctrica se conecte accidentalmente a la caja o «chasis» del producto. Por lo tanto, es una función sólo de seguridad.

Símbolo esquemático de tierra del «chasis».

A veces, los ingenieros de EMI se refieren erróneamente a esta «tierra del chasis» (Figura 3 ) como un lugar que tiene alguna función en la contención de EMI. Esta afirmación nunca se ha basado ni se basará en hechos porque no tiene ninguna función en esta parte de un diseño electrónico.

La tierra de seguridad es otro nombre utilizado para describir la tierra del chasis. Tierra es otro nombre para la tierra de seguridad.

Todos estos nombres conducen a la cuestión de cómo conectar sus circuitos de «tierra» (caminos de retorno) juntos o si deben ser atados juntos en primer lugar, y, si es así, por qué. Esta pregunta suele surgir sobre cómo proteger las señales analógicas sensibles de las fuentes de ruido externas o cómo contener la EMI.

Manejo de las señales analógicas
Tomando el problema de las señales analógicas en primer lugar, es necesario proteger las señales analógicas de las fuentes de ruido externas que podrían degradar el rendimiento de la señal. La figura 4 es un ejemplo de un típico CI mixto analógico y digital que muestra los dos lados del circuito con un pin de tierra analógico y otro digital. Es representativo de la mayoría de los problemas cuando se diseña electrónica de señal mixta.

El resaltado en rojo indica lo que se llama el «bucle de decisión analógico». Este es el circuito que debe estar protegido de las fuentes de ruido externas para que el circuito funcione correctamente. El CI tiene una clavija de «tierra» analógica y una clavija de «tierra» digital. Hay que entender cómo aplicar estos pines para llegar a un diseño de PCB adecuado. El lado digital de este CI de señal mixta tiene corrientes transitorias que fluyen a través de su cable de tierra. Estas corrientes están asociadas con el procesamiento digital interno de la señal analógica y conducen las líneas de transmisión de salida del CI. Si se tratara de un convertidor A/D de 8 bits en un sistema lógico con niveles lógicos de 2,5 V, los transitorios de corriente que fluyen en esta ruta podrían ser tan grandes como 200 mA. Esta corriente ?I o rápidamente cambiante que fluye a través de la inductancia del cable de tierra puede desarrollar transitorios de voltaje tan grandes como 100 mV entre la tierra en el PCB y la tierra en el dado. Este es un transitorio aceptable para el circuito lógico.

Si el circuito en cuestión es un convertidor A/D de 12 bits, el lado analógico del circuito tiene la tarea de resolver diferencias de tensión de 0,5 mV de una oscilación total de la señal de 2 V. Si sólo hay una ruta de tierra fuera del CI, el transitorio de conmutación digital de 100 mV se superpondría a la señal analógica haciendo que el circuito sea inútil. Por eso el lado analógico del CI tiene una ruta de tierra separada fuera del paquete .

La figura 4 es típica de los circuitos que tienen notas de aplicación u otras directrices que especifican un plano de tierra analógico y un plano de tierra digital o la división del plano de tierra bajo el componente. Hacer cualquiera de estas cosas resta importancia al problema real de ingeniería de proteger el bucle de señal analógica del ruido externo. (Nota: La dirección de la flecha de flujo de corriente en la Fig. 4 es el flujo de los electrones que componen el flujo de corriente.)

Figura 4 Un convertidor analógico-digital suele tener pines separados para los retornos analógicos y de señal.

Dividir el plano de tierra bajo el componente crea un efecto secundario no deseado. Las señales que deben cruzar de un lado del corte al otro no tienen un camino para su corriente de retorno. Esa corriente encontrará otra forma de volver a su fuente, lo que puede provocar problemas de integridad de la señal o de EMI.

El ruido entra en el bucle de la señal analógica de dos maneras. La primera es mediante el acoplamiento en cualquier lado del bucle por acoplamiento capacitivo o magnético de una señal adyacente que viaja demasiado cerca (solemos llamarlo diafonía). La diafonía puede ser generada por la componente eléctrica de un campo EM (diafonía capacitiva) o por la componente magnética del campo EM (diafonía inductiva). La forma que exista depende de la configuración de los dos conductores que se encuentran uno al lado del otro.)

La segunda forma en que el ruido puede afectar a los circuitos analógicos es permitiendo que el lado de «tierra» de la ruta sea compartido por otra señal. Esto suele ocurrir cuando la conexión entre la fuente analógica y la clavija de «tierra» analógica del dispositivo se realiza al plano de tierra a cierta distancia de la pieza. En la mayoría de los casos, estos dos problemas se solucionan utilizando un cable apantallado que tiene sus dos conexiones realizadas en los terminales del CI, siendo una de las conexiones el apantallamiento que se conecta al terminal de «tierra analógica» del dispositivo y el conductor central que se conecta al lado de entrada del dispositivo analógico. Ejemplos de este tipo de circuito son:

• La conexión entre el cabezal de lectura de una unidad de disco y el preamplificador
• La conexión entre una galga extensométrica y el amplificador de entrada
• La conexión entre la aguja de un fonógrafo y el preamplificador de entrada (¡sólo los viejos conocen esto!)

El ejemplo de la figura 4 trata de un sistema en el que la fuente analógica está «fuera de placa». Cuando tanto la fuente como la carga están en la misma placa de circuito impreso, la forma adecuada de tratar el «bucle analógico» es mirar dónde está y tomar decisiones de diseño que protejan el bucle de la diafonía y los gradientes de tensión en la parte de «tierra» del circuito que comprometerían el rendimiento. En casi todos los casos, este problema se resuelve colocando cuidadosamente los componentes en la superficie de la placa de circuito impreso para que no fluyan corrientes de otros circuitos a través de la región donde se encuentra el bucle analógico de toma de decisiones. Ejemplos de este tipo de circuitos son las conexiones entre las etapas de amplificación en una radio o un sistema estéreo

Manejando la EMI
A veces me resulta útil citar al ingeniero de EMI Bruce Archambeault cuando surge el tema de la tierra en relación con la EMI: «La tierra es un lugar para las patatas y las zanahorias»

La razón por la que tanto Bruce como yo hacemos esta afirmación es que usar la palabra «tierra» en las discusiones sobre la EMI no tiene ningún valor. De hecho, nos distrae de la tarea que tenemos entre manos, que es contener la energía de RF que podría escaparse de nuestros productos y crear un fallo de EMI.

Dicho de otra manera, ninguna de las cosas que se enumeran como motivos al principio de este artículo tiene ninguna relación con la contención de EMI . Los elementos que son importantes para la contención de la EMI son los blindajes de los cables y las jaulas de Faraday que rodean los productos, pero esos son los temas de otro artículo.

Hay una gran cantidad de información errónea en forma de notas de aplicación y directrices con respecto a lo que es la tierra y cómo usarla. Algunas de estas notas de aplicación indican que el plano de tierra debe ser segmentado en un lado analógico y un lado digital y los dos lados conectados en un solo punto. Otras sugieren que haya dos planos discretamente diferentes, uno analógico y otro digital. La forma de conectar estos dos planos varía en cada nota de aplicación. Mi experiencia con estas notas es que tratan un problema que no se ha demostrado que exista. Lo peor de estas notas es que no tratan el problema real: proteger el bucle de decisión de las fuentes de ruido externas.

Considere las siguientes preguntas cuando elija cómo diseñar una red de retorno.

• ¿Existe un problema real?
• ¿La solución propuesta resuelve el problema?
• ¿La solución propuesta crea un nuevo problema, como un problema de EMI?

Si estas tres preguntas no tienen respuestas válidas, lo más probable es que la solución sea simplemente inventada y puede crear un problema, como un problema de EMI, que de otro modo no existiría. Muchos de los problemas de EMI que he resuelto han tenido su origen en planos de tierra divididos que a menudo encontré en pequeñas unidades de disco a finales de la década de 1990 y principios de la década de 2000.

Los sistemas electrónicos tienen redes que llamamos de tierra que tienen gradientes de tensión de CA y CC causados por las corrientes que fluyen en ellos. Por lo tanto, no pueden considerarse equipotenciales con propiedades mágicas con respecto a la EMI.

Una PCB no necesita un plano de tierra analógico y un plano de tierra digital porque tenerlos no garantiza el correcto funcionamiento de la sección analógica del producto. En su lugar, debería tener un solo plano de tierra que debería ser continuo en toda la PCB, seguido de un diseño cuidadoso del bucle de toma de decisiones.

Dividir un plano de tierra destruye su integridad como conexión de impedancia ultrabaja entre todos los componentes de un circuito y nunca debería diseñarlo en una placa. He preguntado a más de 9.000 estudiantes en mis clases de integridad de la señal si tienen ejemplos en los que la división de un plano de tierra mejoró el rendimiento. Hasta la fecha, ninguno ha sido capaz de presentar uno, ni tampoco ninguno de mis colegas ingenieros. Como señaló Kenneth Wyatt, «Sin embargo, el último pensamiento (Todd Hubing, Universidad de Clemson), es que es mejor mantener los planos de retorno como un solo plano y tener cuidado con el enrutamiento de las trazas de la señal (teniendo en cuenta las corrientes de retorno correspondientes), para que no crucen el límite A/D.»

En aquellos raros casos en los que el plano de retorno debe ser dividido para propósitos de aislamiento de alto voltaje, las señales que deben cruzar la división tendrán que hacerlo de tal manera que la necesidad de una ruta de corriente de retorno continua no sea necesaria. Transformadores, opto-aisladores, y otros tipos de aisladores, se utilizan a menudo aquí.

Como se dijo anteriormente, la tierra del «chasis» es una característica sólo de seguridad y no tiene ningún papel en la función electrónica de los circuitos o su rendimiento EMI. Por lo tanto, no hay necesidad de conectar la tierra lógica a la tierra del «chasis» y, en algunos casos, no está permitido.

Tal vez uno de los retos más difíciles a los que se enfrenta un ingeniero de diseño es clasificar toda la información errónea en la prensa y en línea que es inexacta o, a menudo, simplemente inventada por alguien que no ha hecho la investigación necesaria para asegurar que el consejo dado es técnicamente válido.

Espero que hayas encontrado en este artículo un buen punto de partida para desmitificar las cosas erróneamente referidas como «tierra» en el diseño de PCB y sistemas.

• El mito llamado «tierra»
• La ilusión de la tierra: Que no vuelva a por ti
• Cruzando el río: Los peligros de cruzar una brecha de plano dividido con una señal de alta velocidad
• Discontinuidades en la trayectoria de retorno y EMI: comprenda la relación
• EMI y emisiones: normas, reglamentos y opciones
• Puesta a tierra y blindaje: No hay un tamaño que sirva para todo
• Impacto electromagnético y emisiones: normas, reglamentos y opciones
• Preguntas sobre CEM respondidas (parte 7)
• Conexión a tierra de PCB exitosa con chips de señal mixta – Parte 1: Principios del flujo de corriente
• Diez mejores prácticas de diseño de PCB
• Preguntas sobre placas de PC para la mitigación de la EMC
• Entendiendo las señales en modo común
• El acoplamiento de señales en PCB puede ser un problema
• Cuaderno del diseñador: Aislamiento de la señal