La maldición del bucle de tierra

A veces parece que un bucle de tierra es inevitable. Siga el siguiente experimento mental. Sería maravilloso si pudiera proporcionar soluciones al problema descrito.

Imagine un tablero donde no se puede usar un plano de tierra. Hay algunas fichas en el tablero:

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Una señal digital o analógica fluye desde el Chip 2 al Chip 3. Suponga que la traza no puede ir directamente al otro chip, sino que debe doblarse alrededor de algún otro circuito en la placa.

Ahora considere el flujo de corriente cuando la señal se mueve del Chip 2 al Chip 3:  
 

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Esto se ve mal. La superficie encerrada por el flujo de corriente es muy grande. Si es una señal digital, seguramente inyectará mucho ruido en el circuito soldado en esa superficie. Y si es una señal analógica, probablemente absorberá el ruido del circuito en esa superficie.

Tratando de ser inteligente, se me ocurre la siguiente solución. Agreguemos una ruta de retorno para la señal:  
 

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Huray, parece que la señal está muy bien protegida ahora. La superficie cerrada es mucho más pequeña. No emitirá campos magnéticos, ni los absorberá.

Pero espera un minuto... ¿ves eso? ¿Ves el bucle de tierra que acabo de crear? Mirar de nuevo:  

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¡Ay! ¿Ahora que? ¿Simplemente mejoré la situación o realmente la empeoré?

Por favor ayuda...

Siga con el diseño original, solo redirija la señal para que sea paralela al suelo. Siempre es posible crear situaciones artificiales que requieren malas soluciones.
Esta situación no es solo artificial, sino que se basa en situaciones de la vida real. A veces no se puede tener un plano de tierra. A veces no se puede "redireccionar la señal paralela al suelo", porque hay cosas en el camino (cosas que tal vez necesitan estar cerca del suelo). En muchos casos, uno no tiene suficiente espacio en el tablero para que todo quede ideal, es entonces cuando la situación descrita puede convertirse en realidad...
Si una señal atraviesa una ruta, siempre puede hacer que la ruta de tierra atraviese la misma ruta, a menos que su tablero no tenga suficiente espacio físico. En este último caso, necesitas una tabla con más espacio o más capas. La forma en que generalmente evitamos entrar accidentalmente en esta situación es colocar todas las rutas críticas, ida y vuelta, primero, y luego abarrotar el tablero con otras cosas. Quedarse sin espacio de enrutamiento demasiado pronto es una opción. Su respuesta es que la señal debe ir hacia el norte desde C2, luego hacia el este hasta C3, de la misma manera que va el suelo.
¿Una capa adicional con un plano de tierra sólido realmente resuelve todo esto?

Respuestas (1)

El primero utiliza un esquema de puesta a tierra en estrella, que funciona bien en algunas circunstancias: bajas frecuencias, ausencia de EMI/RFI entrante... lo que significa que es un esquema cada vez menos útil en el mundo actual...

Sin embargo, antes de hablar sobre el bucle, me gustaría señalar que su diseño es de suministro único, por lo que los chips extraen la corriente de suministro y la descargan en el suelo. El uso de trazas largas para GND en este caso significa que esta corriente creará un voltaje contra la impedancia GND. Dado que GND se usa como referencia de voltaje, sus chips tendrán diferentes potenciales de referencia.

Si se trata de amplificadores operacionales de suministro único, lo procesarán como señal. Si son chips lógicos, el rebote del suelo puede corromper los niveles lógicos.

En ambos casos, una baja impedancia de tierra es beneficiosa, es decir. plano terrestre. Sin un plano de tierra, puede enrutar horizontalmente en el reproductor superior, verticalmente en la capa inferior y crear una cuadrícula de suministro/tierra, que era popular en la época de los enormes tableros repletos de chips TTL.

Tenga en cuenta que si sus chips son amplificadores operacionales de +/- 15 V, la corriente fluye hacia los suministros, pero no están conectados a tierra (excepto a través de tapas de desacoplamiento), por lo que en este caso, la corriente de suministro variable solo introducirá ruido adicional en GND si el desacoplamiento las tapas están mal colocadas/enrutadas.

Ahora, volviendo a tu pregunta:

No hay una solución adecuada para esto. En la época de las placas analógicas de un solo lado (piense en una videograbadora o una grabadora de cinta), generalmente se colocaban dentro de una carcasa metálica que actuaba como escudo, y no había teléfonos celulares. Las cosas de alta fidelidad de hoy (por ejemplo) generalmente tendrán algo de protección, si la placa frontal es de plástico, entonces puede esperar un poco de pintura en aerosol conductora para protegerse contra la EMI entrante.

Además, estas enormes placas lógicas TTL se diseñaron antes de las directivas modernas de compatibilidad electromagnética y las frecuencias eran bajas.

De todos modos. Si las señales son rápidas, deben enrutarse cerca de la ruta de corriente de retorno a tierra, o de lo contrario se forma una antena de cuadro, que transmitirá y recibirá, además, la inductancia adicional corromperá la señal en sí.

Por lo tanto, si se trata de chips lógicos, sería preferible el último diseño en su publicación. De hecho, el "bucle de tierra" sería una celda en un tablero de "suministro/tierra de red" de la vieja escuela.

Tenga en cuenta que el bucle de tierra es un giro en cortocircuito, por lo que la RF entrante tendría que ser bastante fuerte para inducir un voltaje lo suficientemente alto como para corromper los niveles lógicos. El principal problema sería que tendría una frecuencia resonante en algún lugar del espectro...

Ahora, específicamente sobre la conexión a tierra de audio, solo puedo recomendar este artículo de Bruno "The Man" Putzeys. Válido también para otras aplicaciones analógicas. También es una lectura divertida.

¡Muy interesante! Usted dice: "Por lo tanto, si estos son chips lógicos, sería preferible el último diseño en su publicación. De hecho, el 'bucle de tierra' sería una celda en un tablero de 'red de tierra/suministro' de la vieja escuela". ¿Qué quiere decir con esto? ¿Cambiarían sus conclusiones si los chips fueran analógicos en lugar de chips lógicos?
ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf consulte las páginas sobre "gridding". Para el analógico, debe verificar si la corriente de suministro que se ejecuta en el suelo es importante dependiendo de la precisión/compensación/distorsión tolerables, etc., tal vez use amperios diferenciales, etc., depende mucho de la aplicación. Material de lectura: hypex.nl/img/upload/doc/an_wp/WP_The_G_word.pdf
Me gustaría señalar que, aparte de la resonancia potencial, un bucle de tierra no es ningún problema. Por lo general, le importa el voltaje desarrollado a través de un conductor de tierra, y agregar más rutas difícilmente empeorará esto. En el límite, esta observación da lugar al plano de tierra. Ahora, para las cosas analógicas, generalmente debe tener cuidado con el lugar al que hace referencia, lo cual es un problema ligeramente diferente, especialmente cuando se da cuenta de que un amplificador operacional es al menos un dispositivo de 5 terminales, no uno de tres terminales (Piense en una etapa de salida de clase AB y donde fluyen las corrientes en cada cuadrante).
Sí, la última oración es la razón por la que mencioné "tapas de desacoplamiento enrutadas correctamente": los pines GND de ambas tapas deben conectarse al plano de tierra en el mismo lugar, por lo que las corrientes no lineales de clase AB que pasan por las tapas se suman muy bien en una réplica lineal de la real corriente de salida opamp que luego se inyecta en GND. No es necesario inyectar corrientes distorsionadas en GND cuando todo lo que cuesta evitarlo es colocar ambas tapas en el mismo lado del opamp y un poco de seguimiento;)
@peufeu, ¿qué quiere decir con "las corrientes no lineales de clase AB que pasan por las tapas se suman muy bien en una réplica lineal de la corriente de salida opamp real que luego se inyecta en GND". ¿Podrías explicar esto más, quizás con un dibujo? Muchas gracias :-)
@DanMills, wow, su declaración "Me gustaría señalar que, aparte de la resonancia potencial, un bucle de tierra no es un problema en absoluto" suena un poco controvertido. ¿Estas seguro acerca de esto?
¡Sí! Haga que los bucles sean pequeños (y tenga muchos) y minimizará la impedancia entre dos puntos de la malla que le interesen y, por lo tanto, minimizará los voltajes desarrollados entre esos puntos. Las únicas personas que se preocupan por los bucles de tierra son los tipos de audio que deberían usar conexiones balanceadas o tierras jerárquicas y los tipos de instrumentación cerca de CC que nuevamente deberían estar separando la tierra y la referencia... Tenga en cuenta que esto se aplica dentro de un dispositivo, las interfaces externas tienen otros problemas.
Considere un opamp que suministra corriente a una carga, la corriente fluye desde el riel positivo, a través del opamp a la carga, luego regresa a través de la red de tierra al límite de desacoplamiento del opamp y regresa al riel positivo ... Pero esta corriente solo fluye mientras el opamp está generando corriente, si el opamp está hundiendo la corriente, la ruta involucra el riel negativo y la tapa de desacoplamiento. La corriente de la señal cambia del riel positivo al negativo según el cuadrante de carga opamp. Al conectar las dos tapas de desacoplamiento juntas y luego llevar ese punto al suelo, evita estas corrientes de conmutación en el suelo.
"Las únicas personas que se preocupan por los bucles de tierra son los tipos de audio que deberían usar una conexión balanceada" ¡Absolutamente! Siempre hay bucles de tierra, por lo que es mejor utilizar un diseño que no se deshaga cuando hay bucles de tierra. Esto se hace teniendo en cuenta cuál es la referencia de la señal.
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