Il piano di messa a terra su un circuito stampato è in genere un’ampia area metallica collegata alla massa del circuito. Quest’area metallica può occupare solo una piccola porzione della scheda oppure, nei progetti multistrato, può estendersi su un intero strato. A seconda dei requisiti di progettazione, può anche estendersi su più strati.
La messa a terra, in termini semplici, consiste nell’impostare un “punto zero di riferimento” per un circuito. Lo scopo di questo “punto zero” è duplice: in primo luogo, fornire un percorso di ritorno chiaro per la corrente e, in secondo luogo, stabilizzare la tensione del circuito e sopprimere le interferenze di rumore. Da un punto di vista tecnico, la messa a terra comporta la creazione di un punto di riferimento a bassa impedenza, che è tipicamente collegato al nodo comune del sistema o direttamente a un picchetto di terra.
Tuttavia, la messa a terra dei circuito stampato non è limitata a una sola modalità; ne esistono diversi tipi, ciascuno con funzioni e scenari applicativi specifici:
Messa a terra del segnale: la messa a terra del segnale fornisce una “linea di riferimento” stabile per i segnali analogici o digitali, impedendo la deriva del segnale. Nella maggior parte dei casi, la messa a terra del segnale e quella dell’alimentazione sono combinate, ma in alcuni circuiti di precisione con requisiti di accuratezza estremamente elevati, la messa a terra del segnale è impostata separatamente. I circuiti con sensibilità del segnale estremamente elevata, come gli amplificatori audio, utilizzano spesso la messa a terra del segnale.
Messa a terra dell’alimentazione: la messa a terra dell’alimentazione ha il compito di condurre correnti elevate nel circuito di alimentazione, garantendo un’alimentazione stabile. A causa dell’elevato flusso di corrente, il percorso di messa a terra dell’alimentazione deve essere progettato in modo da essere robusto e resistente; in caso contrario, si verificheranno cadute di tensione quando passeranno correnti elevate. La messa a terra dell’alimentazione si trova comunemente nei circuiti che richiedono alta potenza, come i moduli di alimentazione e gli azionamenti dei motori.
Messa a terra di sicurezza: la messa a terra di sicurezza collega l’alloggiamento dell’apparecchiatura al sistema di messa a terra. In caso di guasto che causa una corrente di dispersione, devia rapidamente la corrente per prevenire lesioni da scossa elettrica. La messa a terra di sicurezza è tipicamente collegata direttamente alla terra e rispetta rigorosamente gli standard di sicurezza. Gli elettrodomestici e le apparecchiature industriali devono essere tutti dotati di messa a terra di sicurezza per garantire un utilizzo sicuro.
Messa a terra dello schermo: la messa a terra dello schermo comporta la messa a terra dello strato di schermatura per bloccare le interferenze elettromagnetiche esterne. Per evitare la formazione di loop di interferenza, la messa a terra dello schermo utilizza generalmente un metodo di messa a terra a punto singolo. In scenari con elevati requisiti ambientali elettromagnetici, come circuiti RF e cavi schermati, la messa a terra dello schermo svolge un ruolo fondamentale.
Messa a terra virtuale: qual è la funzione di una messa a terra virtuale? Prendendo come esempio un amplificatore operazionale, esso ha un “punto zero analogico” al suo interno. Questo “punto zero” non è effettivamente collegato alla terra, ma il suo potenziale è lo stesso del punto zero reale. Una messa a terra virtuale si ottiene attraverso il controllo di retroazione e la corrente non la attraversa. Il concetto di messa a terra virtuale è spesso utilizzato nella progettazione di circuiti analogici e nell’analisi delle prestazioni degli amplificatori.
Messa a terra CA: la messa a terra CA fornisce un potenziale di riferimento stabile per il terminale di ingresso dell’alimentatore, resistendo efficacemente alle interferenze ad alta frequenza. Ha una bassa impedenza CC e mantiene un potenziale stabile anche in ambienti ad alta frequenza. La messa a terra CA è comunemente utilizzata nei circuiti che prevedono la conversione di potenza CA, come gli alimentatori a commutazione e i circuiti dei trasformatori.
Il piano di massa su un circuito stampato ha tre importanti funzioni:
Ritorno di tensione: la maggior parte dei componenti su un circuito stampato è collegata alla rete di alimentazione e la tensione di ritorno viene restituita attraverso la rete di massa. Sulle schede con uno o due soli strati, la rete di massa richiede in genere tracce più larghe per il routing. Tuttavia, dedicando un intero strato al piano di massa su una scheda multistrato, il processo di collegamento di ciascun componente alla rete di massa viene semplificato.
Ritorno del segnale: anche i segnali regolari devono ritornare e, per i progetti ad alta velocità, è molto importante avere un percorso di ritorno chiaro sulla massa. Senza un percorso di ritorno così chiaro, questi segnali possono causare interferenze significative al resto del PCB.
Riduzione del rumore e delle interferenze: con l’aumentare della velocità dei segnali, anche gli stati di commutazione dei circuiti digitali diventano più frequenti. Ciò genera impulsi di rumore attraverso il circuito di messa a terra, che possono influenzare altre parti del circuito. Uno strato di messa a terra con un’area conduttiva più ampia aiuta a ridurre tali interferenze perché ha un’impedenza inferiore rispetto al routing della rete di messa a terra tramite tracce.
Metodi di implementazione della messa a terra dei circuito stampato
La messa a terra dei circuito stampato può essere implementata in vari modi, tra cui principalmente la messa a terra a punto singolo, la messa a terra a più punti, la messa a terra flottante e la messa a terra ibrida. Ogni metodo di messa a terra ha i propri scenari applicabili e vantaggi/svantaggi, e i progettisti devono selezionare la strategia di messa a terra appropriata in base ai requisiti specifici dell’applicazione e alle caratteristiche del circuito.
Messa a terra a punto singolo:
La messa a terra a punto singolo si riferisce a un sistema in cui solo un punto fisico è definito come punto di riferimento di terra e tutti gli altri punti che richiedono la messa a terra sono collegati direttamente a questo punto. Questo metodo è particolarmente efficace nei circuiti a bassa frequenza perché la lunghezza dei conduttori e gli effetti parassiti hanno un impatto minimo alle basse frequenze. La messa a terra a punto singolo riduce l’accoppiamento dell’impedenza di modo comune e l’interferenza del loop di terra a bassa frequenza, ma può introdurre nuovi problemi nei circuiti ad alta frequenza.
Messa a terra multipunto:
La messa a terra multipunto consiste nel collegare direttamente ogni punto di messa a terra di un dispositivo elettronico al piano di massa più vicino (ad esempio la piastra metallica di base del dispositivo). Questo metodo è più comune nei circuiti ad alta frequenza perché gli effetti della capacità e dell’induttanza parassite diventano significativi alle alte frequenze. La messa a terra multipunto riduce le interferenze causate dall’impedenza di terra comune e minimizza l’impatto della capacità e dell’induttanza parassite sull’integrità del segnale.
Messa a terra flottante:
La tecnologia di messa a terra flottante si riferisce a una messa a terra del circuito stampato che non è direttamente collegata alla terra tramite un conduttore. Questo metodo di messa a terra isola il circuito dalle proprietà elettriche della terra, fornendo un’elevata resistenza di isolamento tra la messa a terra dell’alimentazione e quella del segnale, bloccando efficacemente le interferenze elettromagnetiche. Tuttavia, la messa a terra flottante è suscettibile agli effetti della capacità parassita, che può causare fluttuazioni nel potenziale di terra e aumentare le interferenze indotte nei circuiti analogici.
Messa a terra mista:
La messa a terra mista è una soluzione di compromesso che combina le caratteristiche della messa a terra a punto singolo e a punti multipli per soddisfare diversi requisiti di frequenza. Nei circuiti sensibili alla banda larga, la messa a terra mista ottimizza le prestazioni mostrando caratteristiche diverse alle basse e alle alte frequenze. Ad esempio, separare la messa a terra CC dalla messa a terra RF tramite un condensatore impedisce la formazione di loop di terra, mantenendo al contempo connessioni a bassa impedenza nei punti di segnale ad alta frequenza.
La messa a terra dei circuito stampato è un’arte fondamentale ma complessa nella progettazione dei circuiti elettronici. Non si tratta semplicemente di fornire un semplice riferimento a “potenziale zero”, ma riguarda anche il ritorno efficace della corrente, la stabilità della tensione del sistema, la soppressione del rumore e l’ottimizzazione della compatibilità elettromagnetica.