Cómo tratar la toma de tierra en el diseño de alta frecuencia

Los diseños de alta frecuencia deben abordar la cuestión de la conexión a tierra. Hay varias cuestiones que deben abordarse cuando se trata de la conexión a tierra. Por ejemplo, la impedancia de los conductores de puesta a tierra y de las conexiones a tierra, la vía de CC que domina las señales de baja frecuencia y la puesta a tierra en un solo punto.

Impedancia de los conductores de puesta a tierra

El electrodo de puesta a tierra de un sistema eléctrico conectado a tierra típico está en paralelo con las varillas de tierra situadas en el lado de la línea del servicio, los transformadores y los postes. La varilla sometida a prueba se conecta al electrodo de puesta a tierra. La resistencia equivalente de las varillas de tierra del lado de la línea es despreciable.

Un método de puesta a tierra de un solo punto es aceptable para frecuencias por debajo de un MHz, pero es menos deseable para altas frecuencias. Una toma de tierra de un solo punto aumentará la impedancia de tierra debido a la inductancia del cable y a la capacitancia de la pista, mientras que la capacitancia parásita creará caminos de retorno a tierra no deseados. Para circuitos de alta frecuencia, es necesaria una toma de tierra multipunto. Sin embargo, este método crea bucles de tierra susceptibles a la inducción de campos magnéticos. Por lo tanto, es importante evitar el uso de bucles de tierra híbridos, especialmente si el circuito contendrá componentes sensibles.

El ruido de tierra puede ser un problema importante en los circuitos de alta frecuencia, especialmente cuando los circuitos extraen grandes corrientes variables de la alimentación. Esta corriente fluye en el retorno común a tierra y provoca tensión de error, o DV. Ésta varía con la frecuencia del circuito.

Impedancia de los conductores de enlace

Lo ideal es que la resistencia de los conductores de enlace sea inferior a un mili-ohmio. Sin embargo, a frecuencias más altas, el comportamiento de un conductor de enlace es más complejo. Puede presentar efectos parásitos y capacitancia residual en paralelo. En este caso, el conductor de enlace se convierte en un circuito resonante paralelo. También puede presentar una resistencia elevada debido al efecto piel, que es el flujo de corriente a través de la superficie exterior del conductor.

Un ejemplo típico de acoplamiento de interferencia conducida es un circuito de motor o conmutación alimentado a un microprocesador con retorno a tierra. En esta situación, la impedancia del conductor de puesta a tierra es superior a su frecuencia de funcionamiento, y es probable que provoque la resonancia del circuito. Por ello, los conductores de puesta a tierra suelen estar unidos en varios puntos, con diferentes longitudes de unión.

Vía de CC dominante para señales de baja frecuencia

En general, se asume que el dominio de la vía de CC para señales de baja frecuencia es más fácil de implementar que los circuitos de alta frecuencia. Sin embargo, este método tiene varias limitaciones, especialmente en implementaciones integradas. Entre estas limitaciones se encuentran el ruido de parpadeo, las desviaciones de corriente continua y las constantes de tiempo grandes. Además, estos diseños suelen utilizar grandes resistencias y condensadores, que pueden producir un gran ruido térmico.

En general, la corriente de retorno de las señales de alta frecuencia seguirá el camino de menor área de bucle y menor inductancia. Esto significa que la mayor parte de la corriente de señal retorna en el plano a través de un estrecho camino directamente por debajo de la traza de señal.

Conexión a tierra de un solo punto

La puesta a tierra en un solo punto es un elemento esencial para proteger los emplazamientos de comunicaciones contra los rayos. Además de una conexión eficaz, esta técnica ofrece protección estructural contra el rayo. Se ha probado ampliamente en zonas propensas a los rayos y ha demostrado ser un método eficaz. Sin embargo, la puesta a tierra en un solo punto no es la única consideración.

Si la diferencia de nivel de potencia entre los circuitos es grande, puede no ser práctico utilizar la conexión a tierra de un solo punto en serie. La gran corriente de retorno resultante puede interferir con los circuitos de baja potencia. Si la diferencia de nivel de potencia es baja, puede utilizarse un esquema de puesta a tierra de un solo punto en paralelo. Sin embargo, este método tiene muchas desventajas. Además de ser ineficaz, la puesta a tierra de un solo punto requiere una mayor cantidad de puesta a tierra, y también aumenta la impedancia de tierra.

Los sistemas de puesta a tierra de un solo punto suelen utilizarse en diseños de baja frecuencia. Sin embargo, si los circuitos funcionan a altas frecuencias, un sistema de puesta a tierra multipunto puede ser una buena elección. El plano de tierra de un circuito de alta frecuencia debe ser compartido por dos o más circuitos. Esto reducirá las posibilidades de que se formen bucles magnéticos.

Interferencias eléctricas

Las interferencias de potencia pueden degradar el rendimiento de un circuito e incluso causar graves problemas de integridad de la señal. De ahí que sea imperativo hacer frente a las interferencias de potencia en el diseño de alta frecuencia. Afortunadamente, existen métodos para hacer frente a estos problemas. Los siguientes consejos le ayudarán a reducir la cantidad de interferencias de potencia en sus diseños de alta frecuencia.

En primer lugar, hay que entender cómo se producen las interferencias electromagnéticas. Existen dos tipos principales de interferencias: continuas e impulsivas. Las interferencias continuas proceden de fuentes naturales y artificiales. Ambos tipos de interferencias se caracterizan por un mecanismo de acoplamiento y una respuesta. Las interferencias impulsivas, en cambio, se producen de forma intermitente y en poco tiempo.