Físicamente, ¿cómo reduce el ruido la conexión de una PCB a la tierra del chasis?

Esta va a ser otra pregunta controvertida, así que permítanme parafrasear y ocasionalmente citar una fuente (libro de texto) que considero creíble, EMC y la placa de circuito impreso de Mark Montrose. Primero, introduzcamos la terminología habitual:

• tierra de seguridad = una tierra que está conectada por un camino de baja impedancia a tierra
• tensión de señal (referencia) tierra, por ejemplo, plano de tierra en una placa de circuito impreso

Ahora una cita potencialmente impactante (p. 249):

La conexión de los dos métodos de conexión a tierra puede no ser adecuada para una aplicación en particular y puede exacerbar los problemas de EMC. [...] Existen conceptos erróneos comunes con respecto a la puesta a tierra. La mayoría de los analistas creen que la tierra es un camino de retorno de corriente que una buena tierra reduce el ruido del circuito. Esta creencia hace que muchos supongan que podemos hundir una corriente de radiofrecuencia ruidosa en la tierra, generalmente a través de la estructura principal de puesta a tierra de un edificio. Esto es válido si estamos discutiendo la conexión a tierra de seguridad, no la referencia de voltaje de la señal. Aunque una ruta de retorno de RF es obligatoria, no es necesario que esté en el potencial de tierra. El espacio libre no está en el potencial de tierra .

(Énfasis mío).

Entonces, habiendo establecido eso (si es necesario decirlo), ¿qué hay de conectar una PCB (o en el caso de un dispositivo de múltiples placas, varias PCB) a tierra a la carcasa/chasis de metal, incluso si este último no está conectado a tierra? /terreno de seguridad? (Podría tener una jaula de Faraday alojada en una caja de plástico, por ejemplo).

Primero, debemos aclarar algo más: si tiene un sistema de placas múltiples, la conexión a tierra de un solo punto (también conocida como tierra "sagrada", no es broma) es adecuada cuando la velocidad de las señales/componentes es de 1 Mhz o menos , que generalmente se encuentra en circuitos de audio, sistemas de alimentación de red, etc. Para frecuencias operativas más altas, por ejemplo, una computadora, se utiliza conexión a tierra multipunto. Para frecuencias mixtas, ambos se combinan en una técnica de conexión a tierra híbrida como se muestra a continuación (figura del libro de Montrose):

Y esta es básicamente la razón por la que desea una conexión a tierra multipunto para sistemas de alta frecuencia, que en el libro de Montrose (p. 274) se explica en el contexto de un sistema con placas hijas (por ejemplo, su computadora de escritorio típica):

Los campos de RF generados a partir de una PCB [...] se acoplarán a una estructura metálica. Como resultado, se desarrollarán corrientes de Foucault RF en la estructura y circularán dentro de la unidad creando una distribución de campo. Esta distribución de campo puede acoplarse a otros circuitos [...] Estas corrientes [de Foucault] se acoplan a la jaula de la tarjeta a través de impedancias de transferencia distributivas y luego a través de intentos de cerrar el bucle acoplándose de nuevo al backplane. Si la impedancia de referencia de modo común entre el backplane y la caja de tarjetas no es significativamente menor que la "fuente impulsora" distributiva (de las corrientes de Foucault), se desarrollará un voltaje de RF entre el backplane y la caja de tarjetas. [...] En pocas palabras, el potencial espectral de modo común entre el backplane y la caja de tarjetas debe cortocircuitarse.

Si te preguntaste por qué la placa base de tu computadora de escritorio tiene conexiones eléctricas a través de todos los tornillos que la sujetan a la caja (metálica), para eso están ahí.

NB: Joffe and Lock's Grounds for Grounding da más o menos la misma explicación en su sección titulada "Propósito de unir los planos de retorno de PCB al chasis" , por lo que creo que los expertos están de acuerdo en esto.

Más específicamente, la sabiduría convencional es tener exactamente una conexión de baja impedancia a tierra del chasis. Con frecuencia está muy cerca del regulador de voltaje.

Es importante que haya una sola conexión. Habrá corrientes de ruido fluyendo sobre y alrededor de la caja, siempre que la caja sea de metal y esté completamente cerrada y, por lo tanto, actúe como una jaula de Faraday. Sin embargo, siempre que se conecte en un solo lugar, cualquier corriente que fluya alrededor del chasis no puede fluir a través de su circuito. No pueden, porque no hay camino.

Sin embargo, si tiene dos conexiones, entonces si hay algún voltaje entre esos dos puntos (lo cual es probable, dado todo el ruido), entonces la corriente de ruido puede fluir a través de su circuito.

Entonces, ¿por qué no cero conexiones? Bueno, piénsalo. ¿Cómo meterás los cables? Supongo que si funciona con baterías y no tiene entradas ni salidas, entonces puedes poner todo en una jaula de Faraday y eso podría funcionar bastante bien. Sin embargo, ciertamente esto no es factible para la mayoría de los circuitos, que tienen al menos algunas conexiones externas, algunas de las cuales están referenciadas a tierra, por lo que debe conectarse a ellas en algún lugar.

¿Por qué no hacer que esas conexiones externas pasen por un orificio en la caja a través de un conector aislado para que no estén conectadas eléctricamente a la caja? Bueno, entonces, cualquier ruido de modo común en esos cables simplemente pasará por el orificio y dentro de la caja. Es mejor que no tengas ningún caso en absoluto.

Idealmente, el blindaje de cualquier cable de entrada o salida está conectado al chasis de metal. Si piensa en esto topológicamente, la carcasa es como una sección más gruesa del blindaje del cable y su circuito está dentro del cable.

Debería preguntarse qué más fuera de la caja está conectado a la placa de circuito impreso. Si se conecta un cable a la placa de circuito impreso, destruiría gravemente el blindaje al permitir que entre ruido a través del cable a su placa de circuito impreso. Ahora realmente depende de la situación si ayuda agregar una ruta de baja impedancia desde la conexión a tierra de la señal hasta el chasis para deshacerse del desorden que dejó entrar a través de los cables. Si elimina el ruido directamente en el punto donde ingresa al chasis mediante condensadores y un acoplamiento de 360 ​​grados del blindaje del cable, aún tiene razón. En general, esto no es muy práctico y se recomienda dejar que la conexión a tierra de la señal sea parte de la ruta del ruido al chasis.