¿Cuándo debo usar un plano de tierra?

Soy nuevo en el diseño de PCB. Mi circuito contiene un voltaje de 3.3V, frecuencia de señal máxima de 400 kHz y menos de 10 componentes conectados a tierra. ¿Realmente necesito un plano de tierra en mi PCB? O para ser precisos: ¿Cuándo debo usar un plano de tierra?

Mucho depende de si está fabricando y vendiendo una PCB comercial o de unas pocas tarjetas para su propio uso. Si es lo primero, entonces un plan de tierra es más importante para mantener bajas las emisiones radiadas para cumplir con la FCC (Parte 15, radiadores no intencionales), CE y otras regulaciones, aunque he visto muchos productos comerciales con tableros de uno o dos lados y sin -planes de tierra. (Por otro lado, uno de mis clientes acaba de hacer una placa de seis capas con tres capas de señal, una capa de Vcc y dos planos de tierra en una configuración de emparedado).

Si solo tiene señales de hasta 400 kHz, entonces parece que no está utilizando un microcontrolador (o si lo está, está utilizando un oscilador interno para que no haya cristal). Si ha realizado un prototipo de su circuito en una placa de prueba inalámbrica o similar, y funciona bien, entonces debería funcionar bien sin un plano de tierra.

Incluso si está haciendo un producto comercial, si su dispositivo funciona con batería y no tiene señales por encima de 1.705 MHz (lo cual es cierto en su caso), entonces está exento de las reglas de la FCC.

Primero, debe asegurarse de que sus suposiciones sean válidas. Por ejemplo, si su circuito está conectado a dos equipos alimentados por fuentes de conmutación, habrá una corriente de alta frecuencia de modo común que fluirá entre esas unidades. La corriente fluirá a través de su dispositivo, generando voltajes de "ruido" en las impedancias de las trazas en su circuito.

En segundo lugar: si es un problema o no depende únicamente de lo que esté haciendo el circuito. Debe estimar las impedancias de las trazas entre varios nodos en el circuito y modelar su efecto en el circuito. Si está utilizando una herramienta de modelado de circuitos como las especias, debe reemplazar sus conexiones "sólidas" con circuitos equivalentes a trazas de impedancias. Luego puede determinar si los voltajes caídos a través de esas impedancias son un problema o no.

Idealmente, siempre debe usar un plano de tierra. Pero por diferentes razones no siempre es posible o adecuado:

• PCB de 1 y 2 capas:

Para 1 capa, creo que la razón es bastante obvia. Puede llenar la PCB no enrutada con cobre a GND, pero ese no es un plano de tierra real.
Para dos capas, no siempre tiene suficiente espacio para el enrutamiento en una capa y un plano de tierra en la otra, pero si puede, hágalo, incluso si tiene algunos rastros pequeños en la capa del plano de tierra.

• Diseño analógico:

Algunos diseños analógicos no deberían estar referenciados a un plano de tierra o deberían tener una conexión en estrella para GND.
Por ejemplo, si está haciendo un circuito de adquisición, debe preocuparse por los diferentes planos de referencia. Lo mismo para las fuentes de alimentación aisladas.

También depende de su diseño, si está haciendo un diseño de nivel CMOS de 5V, las perturbaciones como picos de 1V pueden no afectar el comportamiento de su circuito, mientras que con un 1.8V, se vuelve bastante dañino para el comportamiento.

Lo mismo para la frecuencia y el tiempo de subida: un circuito de baja velocidad no extenderá demasiado EMC en comparación con los circuitos de alta velocidad (no estoy hablando de la frecuencia de la señal, sino de la frecuencia equivalente del tiempo de subida).