Comparer les techniques de mise à la terre des PCB pour une meilleure performance du circuit

La mise à la terre est le héros méconnu de la conception des PCB, mais elle est souvent négligée.alors que la bonne technique peut améliorer l'intégrité du signal, réduit les interférences électromagnétiques (EMI) jusqu'à 20 dB et assure une performance stable pour les conceptions à grande vitesse ou à signal mixte.De la simple mise à la terre à un seul point pour les circuits basse fréquence aux méthodes hybrides avancées pour les systèmes aérospatiaux, le choix de la bonne approche de mise à la terre dépend du type de circuit, de la fréquence et des contraintes de mise en page.et comment choisir le parfait pour votre projet.

Les principaux enseignements
1.Les plans de sol solides sont universels: ils réduisent l'EMI de 20 dB, fournissent des chemins de retour à faible impédance et fonctionnent à la fois pour des fréquences basses (≤1 MHz) et élevées (≥10 MHz)Les résultats.
2.Réglage de la mise à la terre par rapport à la fréquence: utilisez la mise à la terre en point unique pour les circuits ≤ 1 MHz (par exemple, les capteurs analogiques), la mise à la terre en plusieurs points pour les circuits ≥ 10 MHz (par exemple, les modules RF) et la mise à la terre hybride pour les conceptions de signaux mixtes (par exemple,Appareils IoT avec pièces analogiques + numériques).
3Évitez les plans de sol divisés: les espaces séparés agissent comme des antennes, augmentant l'EMI·Utilisez un seul plan solide et isolez les plans analogiques/numériques à un point de faible impédance.
4.Layout est important: placez les plans au sol près des couches de signal, utilisez des voies de couture pour connecter les plans et ajoutez des condensateurs de découplage près des broches d'alimentation pour améliorer l'intégrité du signal.
5Les conceptions de signaux mixtes nécessitent une isolation: utiliser des perles de ferrite ou des optocoupleurs pour séparer les motifs analogiques et numériques, empêchant ainsi le bruit de corrompre les signaux sensibles.

Techniques de mise à la terre des PCB: comment elles fonctionnent
Chaque technique de mise à la terre est conçue pour résoudre des problèmes spécifiques, allant du bruit de basse fréquence à l'EMI à grande vitesse.et limitations.

1- Une seule mise à la terre.
La mise à la terre à point unique relie tous les circuits à un seul point commun, créant une topologie "étoile" où aucun circuit ne partage une trajectoire au sol, sauf au point central.

Comment fonctionne- t- il?
a.Focus à basse fréquence: idéal pour les circuits dont les fréquences sont ≤ 1 MHz (par exemple, capteurs analogiques, microcontrôleurs à basse vitesse).
b. Isolement du bruit: empêche le couplage par impédance en mode commun ̇ les circuits analogiques et numériques ne partagent qu'une seule connexion au sol, ce qui réduit les conversations croisées.
c. Mise en œuvre: utiliser une trace de cuivre épaisse (≥ 2 mm) comme centre "étoile", toutes les connexions au sol étant acheminées directement vers ce point.

Les avantages et les inconvénients

Meilleur pour:
Circuits analogiques basse fréquence (par exemple, capteurs de température, préamplificateurs audio) et conceptions simples à puce unique (par exemple, projets Arduino).

2- Une mise à la terre à plusieurs points.
La mise à la terre multi-points permet à chaque circuit ou composant de se connecter au plan au sol le plus proche, créant plusieurs chemins de retour courts et directs.

Comment fonctionne- t- il?
a.Focus haute fréquence: optimisé pour les fréquences ≥ 10 MHz (par exemple, modules RF, émetteurs-récepteurs 5G).
b.Paths à faible impédance: Chaque signal retourne les flux de courant à la terre la plus proche, minimisant la zone de boucle et l'inductivité (critique pour les signaux à grande vitesse).
c. Mise en œuvre: Utiliser un plan solide au sol (ou plusieurs plans connectés) et orienter les connexions au sol par des voies placées directement à côté des traces de signaux afin de garder les chemins de retour courts.

Les avantages et les inconvénients

Meilleur pour:
Circuits numériques à haute vitesse (par exemple, mémoire DDR5, Ethernet 10G), dispositifs RF et tout PCB dont les fréquences dépassent 10 MHz.

3Les plans de terre (l'étalon-or)
Un plan de mise à la terre est une couche continue de cuivre (généralement une couche entière de PCB) qui agit comme une terre universelle.

Comment fonctionne- t- il?
a.Conception à double usage: fournit à la fois une terre à faible impédance (pour les courants de retour) et un blindage EMI (absorbe les champs électromagnétiques errants).
b.Avantages clés:
Réduit la surface de la boucle à près de zéro (les courants de retour circulent directement sous les traces de signal).
Réduit l'impédance au sol de 90% par rapport aux traces au sol (le plan de cuivre a une plus grande surface de section transversale).
Protège les signaux sensibles contre les interférences externes (agit comme une cage de Faraday).
c.Implémentation: pour les PCB à 4 couches, placer des plans de terre adjacents aux couches de signal (par exemple, couche 2 = Terre, couche 3 = puissance) pour maximiser le blindage.Utilisez des voies de couture (à 5 à 10 mm d'intervalle) pour connecter les plans au sol à travers les couches.

Les avantages et les inconvénients

Meilleur pour:
Pratiquement tous les PCBs, des appareils électroniques grand public (smartphones, ordinateurs portables) aux systèmes industriels (PLC) et aux appareils médicaux (IRM).

4La mise à la terre des étoiles.
La mise à la terre en étoile est une variante de la mise à la terre en un seul point où toutes les voies de mise à la terre convergent vers un seul point à faible impédance (souvent un coussin de mise à la terre ou une coulée de cuivre).Il est conçu pour isoler les circuits sensibles.

Comment fonctionne- t- il?
a. Focalisation d'isolation: sépare les champs analogiques, numériques et électriques, chaque groupe se connectant au centre de l'étoile via des traces dédiées.
b.Critical pour le signal mixte: empêche le bruit numérique de s'infiltrer dans les circuits analogiques (par exemple, le bruit de commutation d'un microcontrôleur corrompt un signal du capteur).
c. Mise en œuvre: Utiliser un grand support en cuivre comme centre d'étoile; tracer des traces de sol analogiques avec des largeurs plus larges (≥ 1 mm) pour réduire l'impédance.

Les avantages et les inconvénients

Meilleur pour:
Les circuits de signaux mixtes de petite taille (par exemple, moniteurs médicaux portables, modules de capteurs) avec des fréquences ≤ 1 MHz.

5Le " mise à la terre hybride "
La mise à la terre hybride combine le meilleur des techniques à point unique, multi-points et plan au sol pour résoudre les défis de conception complexes (par exemple, les systèmes de signal mixte à haute fréquence).

Comment fonctionne- t- il?
a.Stratégie à double fréquence:
Basses fréquences (≤1 MHz): utiliser la mise à la terre à un point unique/étoile pour les circuits analogiques.
Fréquences élevées (≥ 10 MHz): utiliser la mise à la terre multipoint via les plans de mise à la terre pour les pièces numériques/RF.
b.Outils d'isolation: utiliser des perles de ferrite (bloquant le bruit à haute fréquence) ou des optocoupleurs (isolant électriquement analogique/numérique) pour séparer les domaines de terre.
c.Exemple aérospatial: les circuits imprimés par satellite utilisent des capteurs analogiques hybrides à mise à la terre (point unique) connectés à des processeurs numériques (multipoint via les plans au sol), avec des perles de ferrite bloquant le bruit entre les domaines.

Les avantages et les inconvénients

Meilleur pour:
Des conceptions avancées telles que l'électronique aérospatiale, les stations de base 5G et les dispositifs médicaux (par exemple, les machines à ultrasons avec transducteurs analogiques + processeurs numériques).

Comment comparer les techniques de mise à la terre: efficacité, bruit et intégrité du signal
Toutes les méthodes de mise à la terre ne fonctionnent pas de la même manière.

1. Contrôle EMI: Quelle technique réduit le plus le bruit?
L'EMI est la plus grande menace pour les circuits imprimés à haute vitesse. La mise à la terre affecte directement la quantité de bruit émise ou absorbée par votre circuit.

Note critique: Les espaces creusés dans le plan au sol (par exemple, les coupes pour l'acheminement) agissent comme des antennes, augmentant l'EMI de 10 à 15 dB.

2Intégrité du signal: maintenir les signaux propres
L'intégrité du signal (SI) fait référence à la capacité d'un signal à voyager sans distorsion.

Pourquoi cela est important: une faible impédance (0,1Ω) d'un plan au sol garantit que les baisses de tension sont <10mV, tandis qu'une impédance de 20Ω d'un point unique au sol provoque des baisses de 200mV suffisantes pour corrompre les signaux numériques (par exemple, un 3.Le signal logique 3V doit être < 50 mV de bruit pour rester valide).

3- Adaptation à l'application: technique de correspondance avec le type de circuit
Le but et la fréquence de votre circuit déterminent la meilleure méthode de mise à la terre.

Des erreurs courantes à éviter
Même la meilleure technique de mise à la terre échoue si elle est mal mise en œuvre.
1- Diviser les plans terrestres
a.Erreur: coupure d'un plan au sol pour séparer les terrains analogiques/numériques (par exemple, "île au sol numérique" et "île au sol analogique").
b.Consequence: les écarts créent des chemins de retour à haute impédance, les signaux traversent l'écart, augmentant l'EMI de 15 dB et provoquant un rebond au sol.
c. Correction: Utiliser un seul plan solide au sol. Isoler l'analogique/numérique en les connectant à un point (par exemple, un pont en cuivre de 1 mm) et utiliser des billes de ferrite pour bloquer le bruit à haute fréquence.

2. Boucles de terre longues
a.Erreur: Routage des traces de terre en boucle (par exemple, une trace de terre numérique qui fait le tour du PCB avant d'atteindre le plan de terre).
b.Consequence: Les boucles agissent comme des antennes, captant l'EMI et augmentant l'inductivité (une boucle de 10 cm a une inductance d'environ 1 μH, provoquant un bruit de 1 V à 100 MHz).
c. Correction: maintenir les voies de mise à la terre courtes et diriger les voies de connexion au plan de mise à la terre immédiatement après le composant.

3Une mauvaise mise en place.
a.Erreur: placer les voies de mise à la terre loin des traces de signal (par exemple, un écart de 10 mm entre une trace de signal et sa voie de mise à la terre).
b.Consequence: les courants de retour empruntent de longs chemins, augmentant la surface de la boucle et les réflexions du signal.
c. Correction: placer les voies de mise à la terre à moins de 2 mm des traces du signal ◄ pour les signaux à grande vitesse (> 1 GHz), utiliser deux voies par trace pour réduire l'inductivité.

4- Ignorant le stack de couches.
a.Erreur: utilisation d'un PCB à deux couches sans plan de sol dédié (en s'appuyant sur des traces de sol à la place).
b.Consequence: l'impédance au sol est 10 fois plus élevée, ce qui entraîne une EMI et une perte de signal.
c. Correction: pour les fréquences ≥ 1 MHz, utiliser un PCB à 4 couches avec des plans de mise à la terre/puissance dédiés (couche 2 = mise à la terre, couche 3 = puissance).

5. Le mélange des champs de tension
a.Erreur: raccordement sans isolation de moteurs à haute tension (par exemple, 12 V) et à basse tension (par exemple, 3,3 V).
b.Consequence: le bruit de haute tension corrompt les signaux de basse tension (par exemple, le bruit de commutation d'un moteur de 12 V provoque une collision d'un MCU de 3,3 V).
c. Correction: Utiliser des optocoupleurs pour isoler les motifs ou un étouffement en mode commun pour bloquer le bruit entre les domaines de tension.

Comment choisir la bonne technique de mise à la terre: un guide étape par étape
Suivez ces étapes pour choisir la méthode de mise à la terre parfaite pour votre PCB:
1Définissez la fréquence de votre circuit
a.≤1 MHz: mise à la terre en point unique ou en étoile (par exemple, capteurs analogiques).
b.1 MHz ∼10 MHz: mise à la terre hybride (conception de signaux mixtes).
c.≥10 MHz: plan de terre + mise à la terre en plusieurs points (digitale/RF à grande vitesse).

2. Identifier le type de circuit
a.Autrement que par analogue: étoile ou point unique.
b.Uniquement numérique: plan au sol + multi-points.
c. signal mixte: hybride (analogique/numérique isolé avec des perles de ferrite).
d.Focus sur la puissance: plan au sol (faible impédance pour les courants élevés).

3. Évaluer les contraintes de mise en page
a.Petits PCB (< 50 mm): étoile ou point unique (pas besoin de plans au sol).
b.PCB à grande densité: plan au sol + multi-points (évolutivité).
c. Limites des couches: si seulement deux couches, utiliser une grille de terre (traces de cuivre épais dans un motif de grille) à la place d'un plan complet.

4. Valider avec la Simulation
a.Utiliser des outils tels que Ansys SIwave ou Cadence Sigrity pour:
Test des émissions EMI pour différentes techniques de mise à la terre.
Vérifiez l'intégrité du signal (diagrammes oculaires pour les signaux à grande vitesse).
Vérifiez l'impédance au sol à travers les fréquences.

5Prototype et essai
a.Construire un prototype et mesurer:
EMI avec un analyseur de spectre (visant < 50 dBμV/m à 30 MHz1 GHz).
Intégrité du signal avec un oscilloscope (vérification du dépassement/du dépassement < 10% de l'amplitude du signal).
Résistance à la terre avec un multimètre (à < 50 mV pour les circuits numériques).

Questions fréquentes
1Pourquoi un avion au sol est-il meilleur que des traces au sol?
Un plan au sol a beaucoup plus de surface en cuivre, ce qui réduit l'impédance de 90% par rapport aux traces.minimiser la surface de la boucle et le bruit.

2Puis-je utiliser un plan au sol pour les PCB à signal mixte?
Oui, utilisez un seul plan solide de sol et isolez les sols analogiques/numériques à un point (par exemple, un pont en cuivre).

3Comment réduire l'EMI dans un PCB à 2 couches (pas de plan au sol)?
Utilisez une grille de mise à la terre: créez une grille de traces de cuivre épaisses (≥ 2 mm) sur le PCB, avec des voies reliant les grilles supérieures/inférieures.

4Quelle est la fréquence maximale de mise à la terre à un seul point?
La mise à la terre à un point fonctionne mieux pour ≤1 MHz. Au-dessus de cette fréquence, les longues traces de mise à la terre créent une inductance élevée, provoquant un rebond de la terre et un EMI.

5Combien de voies de couture pour un plan au sol?
Pour les conceptions à haute fréquence (> 1 GHz), utilisez des voies toutes les 3 mm pour créer un effet de cage de Faraday.

Conclusion
La mise à la terre des circuits imprimés n'est pas une solution unique, mais elle est essentielle.Alors que le mauvais choix peut conduire à des redessins coûteux ou à des tests EMC ratés.

Pour la plupart des circuits imprimés modernes (en particulier à haute vitesse ou à signal mixte), un plan de sol solide est la base, associé à une mise à la terre multi-points pour les hautes fréquences ou des méthodes hybrides pour les conceptions complexes.Évitez les erreurs courantes telles que les plans divisés ou les longues boucles au sol, et vérifiez toujours votre conception par simulation et prototypage.

Comme les PCB se développent plus rapidement (par exemple, 112G PCIe) et plus compact (par exemple, les appareils portables), la mise à la terre ne fera que devenir plus important.,Vous construirez des PCB qui sont stables, peu bruyants, et prêts à répondre aux exigences de l'électronique moderne.

Rappelez-vous: la mise à la terre est un investissement – passer du temps sur la bonne stratégie tôt vous évite de déboguer des problèmes d'EMI ou de signal plus tard.La priorité accordée à la mise à la terre assurera que votre circuit fonctionne comme prévu..