Data Original: 1º de dezembro de 2023
Publicado em: Maurycy’s Blog
Tradução livre do artigo: https://maurycyz.com/projects/testing_groundplanes/
Basicamente, todos concordam que um plano de terra fornece um caminho de retorno com baixa indutância e baixa resistência para a corrente, além de prevenir diafonia (crosstalk) e acoplamento entre trilhas.
Um plano de terra faz isso ao fornecer um caminho de retorno para a corrente que está fisicamente próximo da trilha. A indutância e o acoplamento indutivo dependem da área do laço formado, que é minimizada com o uso de um plano de terra. No caso do acoplamento capacitivo, o plano de terra “curta” o campo elétrico entre as trilhas, minimizando a capacitância mútua.
A partir desses pontos básicos, começam os desacordos. Algumas pessoas dizem que um plano de terra deve estar em ambos os lados da placa, enquanto outras dizem que apenas um lado é suficiente. Algumas dizem que ele deve ser dividido entre diferentes áreas do circuito, enquanto outras afirmam que isso piora as coisas. Algumas sugerem colocar uma trilha de blindagem entre sinais rápidos, outras dizem que não se deve fazer isso.
Para testar algumas dessas afirmações, projetei uma placa de 1,6 mm de espessura com pares de trilhas de 15 mm e 2 mm de espaçamento entre elas. Tanto para o acoplamento capacitivo quanto para o indutivo, trilhas longas, paralelas e próximas representam o pior caso. Cada extremidade das trilhas possui um pino, e se um plano de terra estivesse presente, um pino de terra era colocado próximo aos pinos das trilhas para manter o caminho de retorno o mais próximo possível:
Um par sem plano de terra, outro com um plano básico no verso, os demais com variações de planos de terra:
Essas variações incluíram:
- Um plano de terra dividido entre duas trilhas;
- Um plano de terra dividido com trilhas passando sobre a divisão;
- Um plano de terra com trilhas saltando para a camada de trás (uma paralela e outra cruzando);
- Um plano de terra em ambas as camadas;
- Um plano de terra em ambas as camadas com vias ao lado das trilhas;
- Um plano de terra em ambas as camadas com uma trilha de blindagem;
- Um plano de terra em ambas as camadas com trilha de blindagem e vias ao lado das trilhas e da blindagem.
Acoplamento Capacitivo
Para medir o acoplamento capacitivo, conectei um gerador de funções ajustado para uma senoide de 5 V a 50 MHz em uma extremidade de uma das trilhas, e um osciloscópio na outra extremidade da trilha vizinha. Para os testes com plano de terra, removi o cabo de terra padrão da ponta de prova do osciloscópio e usei um fio curto (<2 cm) ligado ao anel de aterramento da ponta, conectado ao plano de terra. Para os testes sem plano de terra, simplesmente prendi o clip de terra do osciloscópio ao terra do gerador de funções.
A ponta de prova do osciloscópio tem aproximadamente 10 pF de capacitância para o terra — cerca do dobro de uma entrada de porta lógica 74HC. Estas medições têm precisão de cerca de 5%, portanto, não leve em conta diferenças de alguns milivolts.
Tensão acoplada pico a pico em 10 pF (valores maiores indicam pior desempenho):
| Configuração | Tensão acoplada (pico a pico) |
|---|---|
| Sem plano de terra, terra fornecida por clip de 15 cm da sonda | 800 mV |
| Plano de terra padrão | 340 mV |
| Plano de terra dividido entre trilhas | 352 mV【Nota 2】 |
| Trilhas passando sobre a divisão do plano | 360 mV |
| Plano padrão com trilha cruzando o plano e cruzando as trilhas | 351 mV |
| Plano padrão com trilha cruzando o plano ao longo das trilhas | 340 mV |
| Plano de terra duplo (frente e verso) | 294 mV |
| Plano duplo + costura com vias ao lado das trilhas | 300 mV |
| Plano duplo + trilha de blindagem | 88 mV【Nota 3】 |
| Plano duplo + blindagem + vias na trilha e na blindagem | 48 mV【Nota 3】 |
Um plano de terra reduziu o acoplamento capacitivo em mais de duas vezes, mesmo neste layout considerado caso-pior. Dividir o plano de terra — prática muitas vezes recomendada para separar alimentação, circuitos digitais e analógicos — aumentou o acoplamento. Um plano de terra em ambas as camadas só apresentou melhorias se ambas as faces estavam conectadas com vias bem próximas à trilha, e funcionou muito melhor quando se adicionou uma trilha de blindagem aterrada entre as trilhas, apresentando desempenho mais de 16 vezes melhor do que sem plano de terra!
Pelo menos nesta escala bem menor do que o comprimento de onda, uma trilha curta sob o plano de terra tem um efeito relativamente pequeno. Também medi o sinal acoplado para a trilha principal a partir da trilha que a cruzava — obtive 153 mV — um valor significativo, mas ainda assim muito menor do que quando as trilhas são paralelas.
Outro ponto a ser destacado: trilhas sobre plano de terra apresentam capacitância significativa com o terra — aproximadamente 0,7 pF por centímetro para trilhas de 1 mm de largura. Isso pode causar problemas em sinais de alta impedância, mesmo em trilhas relativamente curtas. E essa capacitância piora ainda mais quanto mais camadas a placa tiver — especialmente com o hábito comum de colocar planos de terra/alimentação nas camadas internas da placa.
A impedância de saída importa muito no acoplamento capacitivo: quando a trilha “vítima” era conectada por meio de um resistor de 100 Ω (em vez de estar em circuito aberto), o sinal acoplado caiu para cerca de ¼ da tensão original.
Acoplamento Indutivo
Para os testes de acoplamento indutivo, também utilizei uma senoide de 50 MHz, mas com os outros extremos das trilhas aterrados. Adicionalmente, incluí um shunt de corrente de aproximadamente 10 ohms (10 mV = 1 mA) para medir a corrente que fluía.
Mais uma vez, essas medições têm uma precisão de cerca de 5%, então diferenças de milivolts devem ser ignoradas.
| Configuração | Shunt (pico a pico) | Tensão acoplada |
|---|---|---|
| Sem plano de terra, caminho de retorno via cabos do gerador/scope | 8 mV | 62 mV |
| Plano de terra padrão | 12 mV | 26 mV |
| Plano padrão com trilha cruzando o plano transversalmente às trilhas | 11 mV | 28 mV |
| Plano padrão com trilha cruzando o plano ao longo das trilhas | 10 mV | 29 mV |
| Plano dividido entre trilhas | 8 mV | 44 mV |
| Trilhas passando por cima da divisão | 9 mV | 28 mV |
| Plano de terra em duas camadas | 11 mV | 28 mV |
| Duas camadas + vias ao lado das trilhas | 9 mV | 22 mV |
| Duas camadas + trilha de blindagem | 10 mV | 33 mV |
| Duas camadas + blindagem + vias nas trilhas e blindagem | 10 mV | 7 mV |
Os resultados aqui são semelhantes aos do acoplamento capacitivo e não contradizem nenhuma das conclusões anteriores. Embora pareça que o acoplamento indutivo é insignificante comparado ao capacitivo, ele pode afetar trilhas com impedância de condução muito baixa (como o curto de 0 ohm usado no teste), e a corrente utilizada aqui foi de apenas alguns miliampères — bem menos do que os vários amperes comuns em acionamentos de portas de MOSFETs, por exemplo.
Mas isso tudo importa mesmo?
Embora 50 MHz pareça uma frequência bastante alta, esse tipo de acoplamento pode ocorrer facilmente com sinais digitais. Mesmo que a frequência de uma onda quadrada seja de apenas alguns quilohertz, ela pode conter harmônicos que alcançam centenas de megahertz, dependendo do tempo de subida dos pulsos.
As linhas digitais em si são razoavelmente resistentes a interferências, graças à baixa impedância de saída e à grande margem entre os níveis lógicos. Porém, a maioria dos projetos em algum momento precisa lidar com sinais analógicos, e estes são muito mais suscetíveis à interferência de linhas digitais com comutação rápida.
A solução mais simples é separar fisicamente as seções digitais e as seções analógicas sensíveis, evitando também que trilhas paralelas passem entre elas. Manter a alimentação “limpa” com o uso de capacitores de desacoplamento, ferrites e planos de terra também é muito importante.
Sinais de alta impedância são especialmente problemáticos, então é recomendável evitá-los sempre que possível ou mantê-los o mais curtos possível. Uma trilha de blindagem com costura de vias sobre um plano de terra é uma boa solução de último recurso.
Outra estratégia, caso o acoplamento seja inevitável, é simplesmente reduzir a velocidade dos sinais digitais, por exemplo, inserindo um resistor de 5 kΩ em paralelo com a saída. Isso não afetará a comunicação de baixa velocidade, mas vai suavizar as bordas dos sinais que causam interferência.
Existe ainda outro cenário, que é quando o caminho de retorno da corrente não é o terra — nesse caso, um plano de terra é muito menos eficaz. A recomendação é rotear a placa de forma que a trilha de sinal e o caminho de retorno estejam o mais próximo possível, mantendo o comprimento total curto.
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