Gli ingegneri usano la parola “terra” in ogni circuito elettronico per indicare una parte di un sistema o di una struttura che è “neutra”, o a potenziale zero. Sfortunatamente, spesso pensiamo a circuiti e sistemi, specialmente quelli con segnali sia analogici che digitali, come se avessero più di una massa. Questo concetto ha dato origine a una recente discussione su una comunità online di integrità del segnale, che ci ha spinto a scrivere questo articolo. Gli ingegneri e i progettisti di PCB spesso menzionano vari tipi di messa a terra e metodi per collegarli insieme. Come questi “terreni”, che sono in realtà percorsi di ritorno, si collegano può influenzare significativamente le prestazioni di un sistema.

I tipi di terra menzionati in questa discussione includono:

• Terra logica
• Terra analogica
• Terra del telaio
• Terra di sicurezza
• Terra di terra

I metodi proposti per collegare queste varie “terre” coprono una vasta gamma di opzioni tra cui:

• Collegarle in un solo punto.
• Tagliare il piano di terra sotto un componente di segnale misto
• Collegarli con condensatori.
• Segmentare il piano di terra in un PCB in modo che ci sia solo una stretta connessione in un punto tra i lati analogici e digitali del progetto.
• Separare le masse analogiche e digitali.

Figura 1 Simbolo di massa logica digitale visto nella maggior parte dei diagrammi schematici.

Questi metodi apparentemente contrastanti per trattare la terra possono essere un po’ confusi. Inizieremo chiarendo cos’è la terra, il che dovrebbe ridurre la confusione.

La prima domanda che potreste fare è: Come possono essere terra tutti gli elementi qui sopra? La risposta è semplice: Nessuno di loro lo è. La terra è l’unico posto in un sistema elettronico che è un punto di riferimento da cui misuriamo le tensioni.

Se questa è l’unica definizione, allora cosa sono queste altre cose chiamate terra?

La terra della logica digitale è il terminale di “riferimento” di un alimentatore per la vostra logica digitale. Per la maggior parte dei sistemi logici digitali, è il terminale negativo dell’alimentazione logica, di solito mostrato con il simbolo in Figura 1.

La massa analogica è il terminale di riferimento dell’alimentazione che alimenta un circuito analogico. È dove un lato di una sorgente di segnale analogico è legato. L’altro lato della sorgente di segnale è legato all’ingresso o all’uscita analogica. La terra analogica è di solito designata con il simbolo in figura 2.

Figura 2 Simbolo schematico della terra analogica.

La terra del telaio è il nome dato al collegamento del filo di sicurezza dalla rete AC alla cassa di un prodotto. Prende questo nome perché l’involucro di un prodotto è spesso chiamato chassis. Questo filo è di solito il filo verde in una prolunga, nella rete a tre fili che collega un prodotto, o il terzo pin di un connettore AC (quello rotondo). Se tracciate questo filo verde attraverso un edificio, alla fine si collegherà a un paletto di rame conficcato nella terra. Lo scopo di questo collegamento è di proteggere l’operatore del prodotto nel caso in cui uno dei fili di rete si colleghi accidentalmente alla cassa o “chassis” del prodotto. Quindi, è una funzione di sola sicurezza.

Figura 3 simbolo schematico di terra “Chassis”.

A volte, gli ingegneri EMI si riferiscono erroneamente a questo “Chassis ground” (Figura 3 ) come un luogo che ha qualche funzione nel contenimento delle EMI. Questa affermazione non è mai stata e non sarà mai basata sui fatti perché non ha alcun ruolo in questa parte di un progetto elettronico.

La terra di sicurezza è un altro nome usato per descrivere la terra dello chassis. Terra è un altro nome per la terra di sicurezza.

Tutti questi nomi portano alla questione di come collegare i vostri circuiti di “terra” (percorsi di ritorno) insieme o se dovrebbero essere legati insieme in primo luogo, e, se sì, perché. Questa domanda di solito si pone o su come proteggere i segnali analogici sensibili da fonti di rumore esterne o su come contenere l’EMI.

Gestione dei segnali analogici
Prendendo il problema dei segnali analogici, è necessario proteggere i segnali analogici da fonti di rumore esterno che potrebbero degradare le prestazioni del segnale. La figura 4 è un esempio di un tipico circuito integrato misto analogico e digitale che mostra i due lati del circuito con un pin di massa analogico e un pin di massa digitale. È rappresentativo della maggior parte dei problemi quando si progetta elettronica a segnale misto.

L’evidenziazione rossa indica quello che viene chiamato “loop decisionale analogico”. Questo è il circuito che deve essere protetto da fonti di rumore esterne perché il circuito funzioni correttamente. L’IC ha un pin di “terra” analogico e un pin di “terra” digitale. Bisogna capire come applicare questi pin per arrivare a un design PCB corretto. Il lato digitale di questo IC a segnale misto ha correnti transitorie che scorrono attraverso il suo cavo di terra. Queste correnti sono associate all’elaborazione digitale interna del segnale analogico e guidano le linee di trasmissione dell’uscita del CI. Se questo fosse un convertitore A/D a 8 bit in un sistema logico con livelli logici di 2,5 V, i transitori di corrente che scorrono in questo percorso potrebbero essere grandi come 200 mA. Questa ?I o corrente in rapida variazione che scorre attraverso l’induttanza del cavo di terra può sviluppare transitori di tensione grandi come 100 mV tra la terra sul PCB e la terra sul die. Questo è un transitorio accettabile per il circuito logico.

Se il circuito in discussione è un convertitore A/D a 12 bit, il lato analogico del circuito ha il compito di risolvere differenze di tensione di 0,5 mV su un’oscillazione totale del segnale di 2 V. Se c’è solo un percorso di terra fuori dall’IC, il transitorio di commutazione digitale di 100 mV si sovrapporrebbe al segnale analogico rendendo il circuito inutile. Questo è il motivo per cui il lato analogico dell’IC ha un percorso di terra separato fuori dal pacchetto.

La figura 4 è tipica dei circuiti che hanno note applicative o altre linee guida che specificano un piano di massa analogico e un piano di massa digitale o la divisione del piano di massa sotto il componente. Fare una di queste cose distoglie dal vero problema ingegneristico di proteggere il loop del segnale analogico dal rumore esterno. (Nota: La direzione della freccia del flusso di corrente in Fig. 4 è il flusso degli elettroni che compongono il flusso di corrente.)

Figura 4 Un convertitore analogico-digitale ha tipicamente pin separati per i ritorni analogici e di segnale.

Dividere il piano di terra sotto il componente crea un effetto collaterale indesiderato. I segnali che devono attraversare da un lato del taglio all’altro non hanno un percorso per la loro corrente di ritorno. Quella corrente troverà un altro modo per tornare alla sua fonte, il che può portare a problemi di integrità del segnale o EMI.

Il rumore entra nel loop del segnale analogico in due modi. Il primo è l’accoppiamento in entrambi i lati del loop tramite accoppiamento capacitivo o magnetico da un segnale adiacente che viaggia troppo vicino (di solito lo chiamiamo crosstalk). La diafonia può essere generata dalla componente elettrica di un campo EM (diafonia capacitiva) o dalla componente magnetica del campo EM (diafonia induttiva). Quale forma esiste dipende dalla configurazione dei due conduttori che sono uno accanto all’altro.)

Il secondo modo in cui il rumore può influenzare i circuiti analogici è permettendo al lato “terra” del percorso di essere condiviso da un altro segnale. Questo di solito accade quando la connessione tra la sorgente analogica e il pin di “terra” analogico del dispositivo è fatta al piano di terra a una certa distanza dalla parte. Nella maggior parte dei casi, entrambi questi problemi sono affrontati utilizzando un cavo schermato che ha le sue due connessioni fatte ai terminali dell’IC, una connessione è lo schermo che si collega al terminale di “terra analogica” del dispositivo e il conduttore centrale che si collega al lato di ingresso del dispositivo analogico. Esempi di questo tipo di circuito sono:

• La connessione tra la testina di lettura di un lettore di dischi e il preamplificatore
• La connessione tra un estensimetro e l’amplificatore di ingresso
• La connessione tra la puntina di un fonografo e il preamplificatore di ingresso (solo i vecchi lo sanno!)

L’esempio della figura 4 riguarda un sistema dove la sorgente analogica è “fuori scheda”. Quando sia la sorgente che il carico sono sullo stesso PCB, il modo corretto di trattare il “loop analogico” è quello di guardare dove si trova e fare scelte di layout che proteggono il loop dalla diafonia e dai gradienti di tensione nella parte “terra” del circuito che comprometterebbero le prestazioni. In quasi tutti i casi, questo problema viene affrontato scegliendo di posizionare attentamente i componenti sulla superficie del PCB in modo che nessuna corrente da altri circuiti scorra attraverso la regione in cui si trova il loop decisionale analogico. Esempi di questo tipo di circuito sono le connessioni tra gli stadi di amplificazione in una radio o in un sistema stereo

Gestire l’EMI
A volte trovo utile citare l’ingegnere EMI Bruce Archambeault quando l’argomento della terra viene fuori in relazione all’EMI: “La terra è un posto per patate e carote.”

La ragione per cui sia io che Bruce facciamo questa dichiarazione è che usare la parola “terra” nelle discussioni sull’EMI non ha valore. Infatti, ci distrae dal compito a portata di mano, che è il contenimento dell’energia RF che potrebbe sfuggire ai nostri prodotti e creare un guasto EMI.

Detto in un altro modo, nessuna delle cose elencate come terra all’inizio di questo articolo ha alcuna importanza per il contenimento EMI. Gli elementi che sono importanti per il contenimento delle EMI sono gli schermi sui cavi e le gabbie di Faraday che circondano i prodotti, ma questi sono i soggetti di un altro articolo.

C’è un corpo molto grande di disinformazione sotto forma di note applicative e linee guida rispetto a ciò che la terra è e come usarla. Alcune di queste note applicative indicano che il piano di terra dovrebbe essere segmentato in un lato analogico e un lato digitale e i due lati collegati in un solo punto. Altri suggeriscono che ci siano due piani distinti, uno analogico e l’altro digitale. Il modo in cui questi due piani devono essere collegati varia con ogni nota applicativa. La mia esperienza con queste note è che stanno trattando un problema che non è stato dimostrato esistere. La cosa peggiore di queste note è che non affrontano il vero problema: proteggere il circuito decisionale da fonti di rumore esterne.

Considera le seguenti domande quando scegli come progettare una rete di ritorno.

• Esiste un problema reale?
• La soluzione proposta risolve il problema?
• La soluzione proposta crea un nuovo problema come un problema EMI?

Se queste tre domande non hanno risposte valide, è probabile che la soluzione sia semplicemente inventata e potrebbe creare un problema, come un problema EMI, che altrimenti non esisterebbe. Molti problemi EMI che ho risolto hanno avuto origine da piani di massa divisi che ho spesso incontrato in piccole unità disco alla fine degli anni ’90 e all’inizio degli anni 2000.

I sistemi elettronici hanno reti che chiamiamo terra che hanno gradienti di tensione sia AC che DC causati dalle correnti che vi scorrono. Quindi, non possono essere considerati equipotenziali con proprietà magiche rispetto alle EMI.

Un PCB non ha bisogno di un piano di terra analogico e di un piano di terra digitale perché averli non garantisce il corretto funzionamento della sezione analogica del prodotto. Invece, dovrebbe avere un solo piano di terra che dovrebbe essere continuo in tutto il PCB, seguito da un’attenta progettazione del loop decisionale.

La divisione di un piano di terra distrugge la sua integrità come connessione a bassissima impedenza tra tutti i componenti di un circuito e non si dovrebbe mai progettare in una scheda. Ho chiesto a più di 9.000 studenti nelle mie lezioni di integrità del segnale se hanno esempi in cui dividere un piano di terra ha migliorato le prestazioni. Fino ad oggi, nessuno è stato in grado di produrne uno, né alcuno dei miei colleghi ingegneri. Come ha notato Kenneth Wyatt, “L’ultimo pensiero, tuttavia (Todd Hubing, Clemson University), è che è meglio mantenere i piani di ritorno come un unico piano e fare attenzione a instradare le tracce di segnale (tenendo presente le corrispondenti correnti di ritorno), in modo che non attraversino il confine A/D.”

In quei rari casi in cui il piano di ritorno deve essere diviso per scopi di isolamento ad alta tensione, i segnali che devono attraversare la divisione dovranno farlo in modo tale che non sia necessario un percorso continuo di corrente di ritorno. Trasformatori, optoisolatori, e altri tipi di isolatori, sono spesso usati qui.

Come detto prima, la terra “Chassis” è una caratteristica di sola sicurezza e non ha alcun ruolo nella funzione elettronica dei circuiti o nelle loro prestazioni EMI. Quindi, non c’è bisogno di collegare la terra logica alla terra “Chassis” e, in alcuni casi, non è permesso.

Forse una delle sfide più difficili che un ingegnere progettista deve affrontare è la selezione di tutta la disinformazione sulla stampa e online che è imprecisa o, spesso, semplicemente fatta da qualcuno che non ha fatto la ricerca necessaria per garantire che il consiglio dato sia tecnicamente valido.

Spero che abbiate trovato questo articolo un buon punto di partenza per demistificare le cose erroneamente chiamate “terra” nella progettazione di PCB e sistemi.

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