¿Por qué usar un plano de tierra localizado?

Se sabe que la corriente de retorno comienza a seguir los conductores a medida que aumenta la frecuencia: corriente de retornopor lo tanto, siempre que se mantenga la distancia entre los conductores lo suficientemente grande, no debería haber necesidad de planos de tierra locales.

¿Por qué entonces algunas personas sugieren el uso de un plano de tierra localizado, como la respuesta a esta pregunta: https://electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 ? Se sugiere que el plano de tierra funcionará como una antena de parche.

Pero la corriente en el plano de tierra seguirá de cerca al conductor, lo que dará como resultado un área de bucle pequeña. Y el campo magnético generado viene dado por la ley de Faraday:

∮ ∂ A mi ⋅ d r = − ∂ ∂ t ∬ A B ⋅ d s

Al usar un plano de tierra localizado más pequeño, la radiación EM generada será la misma, porque el bucle será el mismo. Además, el plano localizado puede introducir resonancia plana, y es necesario evitar cruzarlo con señales de alta frecuencia.

Entonces, ¿cuáles son los beneficios de usar un plano de tierra localizado?

Respuestas (1)

No se trata solo del área del bucle. El área de bucle pequeño es importante para reducir la radiación y la susceptibilidad, pero espero que desee que su circuito haga más que no radiar nada.

Las corrientes a través de un plano de tierra causan voltajes de compensación. Eso es malo ya que otro trabajo de un plano de tierra es proporcionar un voltaje de referencia común a todas las partes del circuito. En un circuito puramente digital, es posible que pueda tolerar algunos desplazamientos de 100 mV. Si el circuito contiene componentes analógicos, un desplazamiento mucho más pequeño podría ser malo.

Otro problema con las compensaciones es que pueden excitar el plano de tierra para que resuene. Un microcontrolador en el medio de una placa con parte de su bucle de alimentación/tierra que atraviesa el plano de tierra puede convertirlo todo en una antena de parche con alimentación central. El lazo de corriente puede ser pequeño, pero provoca desviaciones de voltaje en cada extremo, lo que puede causar voltajes aún más altos en los bordes debido a la resonancia.

Cuanto más usa un plano de tierra, menos bueno se vuelve un plano de tierra. Debe hacer una compensación en algún lugar que resulte en las mejores características generales teniendo en cuenta todas las demandas en competencia.

Pero la solución estándar para eso no es pasarlo por FEM, por ejemplo, ANSYS, y colocar suficientes condensadores para evitarlo. Supongo que puedes hacer: plano dividido o condensadores de costura. Además, en mi experiencia, los planos más pequeños pueden resonar a más frecuencias en su rango de interés y tienden a ser más difíciles de suprimir. Eso es porque hay más dimensiones en comparación con el rectángulo del plano único. Entonces, ¿cuándo elige hacer un plano dividido en lugar de FEM, siempre que tenga acceso a las herramientas?
@user110971: La situación estándar suele ser que alguien con experiencia haga un diseño adecuado y luego pase EMI o cualquier prueba que necesite. Rara vez la gente hace este tipo de análisis con FEM como un paso estándar en el desarrollo, al menos no a bajas frecuencias.
@usuario: Tal vez estemos hablando de diferentes rangos de frecuencia. Si está haciendo cosas deliberadas de RF de alta frecuencia, por ejemplo, es posible que deba analizar a ese nivel. De lo contrario, no, la solución estándar es usar buenas prácticas y quizás algunas pruebas de emisiones. Estoy hablando de microcontroladores con los típicos circuitos analógicos y digitales a su alrededor. Los aviones más pequeños resuenan a frecuencias más altas donde hay menos potencia en primer lugar. Entonces todavía está el plano de tierra principal de todos modos. Lo he hecho con éxito, como lo demuestran las pruebas de emisiones de RF.
@OlinLathrop Sí, estaba pensando en más FPGA con potencialmente algunos SERDES de alta velocidad, por ejemplo, USB, PCIe, etc. Debería haber sido más preciso en mi pregunta original.
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