Os engenheiros usam a palavra “aterramento” em cada circuito eletrônico para denotar alguma parte de um sistema ou estrutura que seja “neutra”, ou potencial zero. Infelizmente, muitas vezes pensamos em circuitos e sistemas, especialmente aqueles com sinais analógicos e digitais, como tendo mais de uma ligação à terra. Este conceito deu origem a uma discussão recente sobre uma comunidade online de integração de sinais, o que nos levou a escrever este artigo. Engenheiros e projetistas de PCBs frequentemente mencionam vários tipos de fundamentos e métodos para conectá-los. Como esses “fundamentos”, que são realmente caminhos de retorno, podem afetar significativamente o desempenho de um sistema.

Os tipos de “bases” mencionados nesta discussão incluem:

• Terra lógica
• Terra analógica
• Terra chassis
• Terra segurança
• Terra terra

Os métodos propostos para conectar esses vários “solos” cobrem uma ampla gama de opções incluindo:

• Conectá-los em apenas um ponto.
• Cortando a placa de massa sob um componente de sinal misto
• Conectando-os com capacitores.
• Segmentar a placa de massa em uma placa de circuito impresso de tal forma que haja apenas uma conexão estreita em um lugar entre os lados analógico e digital do design.
• Separando as superfícies analógica e digital.

Símbolo de aterramento da lógica digital visto na maioria dos diagramas esquemáticos.

Estes métodos aparentemente conflitantes para lidar com o aterramento podem ser um pouco confusos. Vamos começar por esclarecer o que é terra, o que deve reduzir a confusão.

A primeira pergunta que você pode fazer é: Como todos os itens acima podem ser terra? A resposta é simples: Nenhum deles é. Terra é o único lugar num sistema electrónico que é um ponto de referência a partir do qual medimos tensões.

Se essa é a única definição, então o que são estas outras coisas chamadas de terra?

Terra lógica digital é o terminal “de referência” de uma fonte de alimentação para a sua lógica digital. Para a maioria dos sistemas lógicos digitais, é o terminal negativo da fonte de alimentação lógica, normalmente mostrado com o símbolo na Figura 1 .

Terra analógica é o terminal de referência da fonte de alimentação que alimenta um circuito analógico. É onde um dos lados de uma fonte de sinal analógico é amarrado. O outro lado da fonte de sinal é amarrado à entrada ou saída analógica. A terra analógica é normalmente designada com o símbolo na Figura 2 .

Figura 2 Símbolo do esquema de terra analógico.

Terra do chassis é o nome dado à ligação do fio de segurança da rede CA à caixa de um produto. Recebe este nome porque o caso de um produto é muitas vezes chamado de chassi. Este fio é normalmente o fio verde num cabo de extensão, na rede de três fios de ligação a um produto, ou o terceiro pino num conector CA (o redondo). Se você rastrear este fio verde através de um edifício, ele finalmente se conectará a uma estaca de cobre conduzida para a Terra. O objectivo desta ligação é proteger o operador do produto no caso de um dos fios da rede eléctrica fazer acidentalmente uma ligação à caixa ou “chassis” do produto. Assim, é uma função de segurança.

Figure 3 “Chassis” terra símbolo esquemático.

Por vezes, os engenheiros da EMI referem-se erroneamente a este “Chassis terra” (Figura 3 ) como um lugar que tem alguma função na contenção da EMI. Esta afirmação nunca foi ou nunca será baseada em fatos porque não tem papel nesta parte de um design eletrônico.

Terra de segurança é outro nome usado para descrever a terra do chassi. Terra terra é outro nome para a terra de segurança.

Todos estes nomes levam à questão de como ligar os seus circuitos “terra” (caminhos de retorno) juntos ou se devem ser ligados entre si em primeiro lugar, e, se assim for, porquê. Esta questão normalmente surge sobre como proteger sinais analógicos sensíveis de fontes de ruído externo ou como conter EMI.

Manuseio de sinais analógicos
Primeiro problema de sinal analógico, você precisa proteger sinais analógicos de fontes de ruído externo que possam degradar o desempenho do sinal. A Figura 4 é um exemplo de um típico IC misto analógico e digital mostrando os dois lados do circuito com um pino de aterramento analógico e um pino de aterramento digital. É representativo da maioria dos problemas ao projetar a eletrônica de sinais mistos.

O destaque vermelho indica o que é chamado de “loop analógico de tomada de decisão”. Este é o circuito que deve ser protegido de fontes externas de ruído para que o circuito funcione corretamente. O CI tem um pino “terra” analógico e um pino “terra” digital. Você precisa entender como aplicar esses pinos para chegar a um design de placa de circuito impresso adequado. O lado digital deste IC de sinal misto tem correntes transitórias fluindo através de seu cabo de aterramento. Estas correntes estão associadas ao processamento digital interno do sinal analógico e conduzem as linhas de transmissão de saída do CI. Se este fosse um conversor A/D de 8 bits em um sistema lógico com níveis lógicos de 2,5V, as correntes transitórias que fluem neste caminho poderiam ser de até 200 mA. Esta ?I ou corrente de mudança rápida que flui através da indutância do cabo de terra pode desenvolver transientes de tensão de até 100 mV entre a terra na placa de circuito impresso e a terra no molde. Este é um transiente aceitável para o circuito lógico.

Se o circuito em discussão for um conversor A/D de 12 bits, o lado analógico do circuito é encarregado de resolver diferenças de tensão de 0,5 mV de uma oscilação total de sinal de 2 V. Se houver apenas um caminho de terra para fora do CI, o transiente de comutação digital de 100 mV seria sobreposto ao sinal analógico, tornando o circuito inútil. É por isso que o lado analógico do CI tem um caminho de aterramento separado para fora do pacote .

Figure 4 é típico de circuitos que possuem notas de aplicação ou outras diretrizes que especificam uma placa de massa analógica e uma placa de massa digital ou que dividem a placa de massa sob o componente. Fazer qualquer uma destas coisas diminui o problema de engenharia real de proteger o loop do sinal analógico contra ruído externo. (Nota: A direção da seta de fluxo de corrente na Fig. 4 é o fluxo dos elétrons que compõem o fluxo de corrente.)

Figure 4 Um conversor analógico para digital normalmente tem pinos separados para retornos analógicos e de sinal.

Dividir a placa de massa sob o componente cria um efeito colateral indesejado. Os sinais que devem atravessar de um lado do corte para o outro não têm um caminho para a sua corrente de retorno. Essa corrente encontrará outra maneira de retornar à sua fonte, o que pode levar a problemas de integridade do sinal ou de EMI.

O ruído entra no loop do sinal analógico de duas maneiras. A primeira é através do acoplamento em ambos os lados do laço por acoplamento capacitivo ou magnético de um sinal adjacente que viaja muito próximo (normalmente chamamos este crosstalk). O crosstalk pode ser gerado pelo componente elétrico de um campo EM (crosstalk capacitivo) ou pelo componente magnético do campo EM (crosstalk indutivo). A forma que existe depende da configuração dos dois condutores que estão próximos um do outro.)

A segunda forma que o ruído pode afetar os circuitos analógicos é permitindo que o lado “terra” do caminho seja compartilhado por outro sinal. Isto geralmente acontece quando a conexão entre a fonte analógica e o pino “terra” analógico do dispositivo é feita para o plano de terra a alguma distância da peça. Na maioria dos casos, estes dois problemas são resolvidos usando um cabo blindado que tem suas duas conexões feitas nos terminais do CI, sendo uma conexão a blindagem que conecta ao terminal “terra analógica” do dispositivo e o condutor central que conecta ao lado de entrada do dispositivo analógico. Exemplos deste tipo de circuito são:

• A ligação entre a cabeça de leitura num drive de disco e o pré-amplificador
• A ligação entre um strain gage e o amplificador de entrada
• A ligação entre uma agulha fonográfica e o pré-amplificador de entrada (só os mais velhos sabem disto!)

O exemplo na Figura 4 trata de um sistema onde a fonte analógica é “off board”. Quando a fonte e a carga estão ambas na mesma placa de circuito impresso, a maneira correta de lidar com o “loop analógico” é olhar para onde ele está e fazer escolhas de layout que protejam o loop de crosstalk e gradientes de tensão na parte “terra” do circuito que comprometeria o desempenho. Em quase todos os casos, este problema é tratado optando por colocar cuidadosamente os componentes na superfície da placa de circuito impresso para que nenhuma corrente de outros circuitos flua através da região onde o laço analógico de tomada de decisão está localizado. Exemplos deste tipo de circuito são as conexões entre estágios do amplificador em um rádio ou sistema estéreo

Manuseando EMI
Algumas vezes eu acho útil citar o engenheiro Bruce Archambeault da EMI quando o assunto do aterramento vem à tona em relação à EMI: “A terra é um lugar para batatas e cenouras”

A razão pela qual tanto Bruce quanto eu fazemos esta afirmação é que usar a palavra “terra” nas discussões sobre EMI não tem valor. Na verdade, isso nos distrai da tarefa em mãos, que é conter energia RF que pode escapar dos nossos produtos e criar e falha EMI.

Ajuda de outra forma, nenhuma das coisas listadas como terra no início deste artigo tem qualquer relação com a contenção EMI . Os itens que são importantes para a contenção de EMI são as proteções em cabos e gaiolas de Faraday em torno dos produtos, mas esses são os assuntos de outro artigo.

Existe um corpo muito grande de desinformação na forma de notas de aplicação e diretrizes com respeito ao que é terra e como usá-la. Algumas dessas notas de aplicação indicam que o plano de aterramento deve ser segmentado em e lado analógico e um lado digital e os dois lados conectados em apenas um ponto. Outras sugerem a existência de dois planos discretamente diferentes, um analógico e o outro digital. A forma como estes dois planos devem ser ligados varia com cada nota de aplicação. Minha experiência com essas notas é que elas estão tratando de um problema que não foi comprovadamente existente. O pior de tais notas é que elas não abordam o problema real: protegendo o loop de tomada de decisão de fontes de ruído externas.

Considere as seguintes questões ao escolher como desenhar uma rede de retorno.

• Existe um problema real?
• A solução proposta resolve o problema?
• A solução proposta cria um novo problema como um problema de EMI?

Se estas três perguntas não tiverem respostas válidas, é muito provável que a solução seja simplesmente inventada e possa criar um problema, como um problema de EMI, que de outra forma poderia não existir. Muitos problemas de EMI que eu resolvi tiveram sua origem em planos de aterramento divididos que eu freqüentemente encontrei em pequenos discos no final dos anos 90 e início dos anos 2000.

Os sistemas eletrônicos têm redes que chamamos de aterramento que possuem gradientes de tensão CA e CC causados pelas correntes que fluem neles. Assim, não podem ser considerados equipotenciais com propriedades mágicas em relação à EMI.

A PCB não necessita de uma placa de massa analógica e uma placa de massa digital porque tê-los não garante o bom funcionamento da secção analógica do produto. Em vez disso, deve ter apenas uma placa de massa que deve ser contínua em todo o circuito impresso, seguida de um desenho cuidadoso do loop de tomada de decisão.

Dividir uma placa de massa destrói sua integridade como uma conexão de impedância ultra baixa entre todos os componentes de um circuito e você nunca deve projetá-la em uma placa. Eu perguntei a mais de 9.000 alunos nas minhas aulas de integração de sinal se eles tinham exemplos onde dividir uma placa de massa melhorava o desempenho. Até à data, nenhum dos meus colegas de engenharia foi capaz de produzir um. Como Kenneth Wyatt observou, “O pensamento mais recente, no entanto (Todd Hubing, Universidade Clemson), é que é melhor manter os planos de retorno como um único plano e ter cuidado ao rotear os traços do sinal (tendo em mente as correntes de retorno correspondentes), para que eles não cruzem o limite A/D”

Nesses raros casos em que o plano de retorno deve ser dividido para fins de isolamento de alta tensão, os sinais que devem cruzar a divisão terão de fazê-lo de tal forma que não seja necessária a necessidade de um caminho de corrente contínua de retorno. Transformadores, opto-isoladores e outros tipos de isoladores são frequentemente utilizados aqui.

Como foi dito anteriormente, a terra “Chassis” é uma característica exclusiva de segurança e não tem nenhum papel na função electrónica dos circuitos ou no seu desempenho EMI. Assim, não há necessidade de conectar o aterramento lógico ao aterramento “Chassis” e, em alguns casos, isso não é permitido.

Talvez um dos desafios mais difíceis que um engenheiro de design enfrenta seja classificar através de toda a desinformação errada na impressão e on-line que é imprecisa ou, muitas vezes, simplesmente composta por alguém que não tenha feito a pesquisa necessária para garantir que o conselho dado seja tecnicamente válido.

Espero que tenha achado este artigo um bom ponto de partida para desmistificar as coisas erroneamente referidas como “terra” no PCB e no design de sistemas.

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