Come gestire la messa a terra nella progettazione ad alta frequenza

I progetti ad alta frequenza devono affrontare il problema della messa a terra. Sono diversi i problemi che devono essere affrontati quando si parla di messa a terra. Tra questi, l'impedenza dei conduttori di terra e dei legami di terra, il percorso della corrente continua che domina i segnali a bassa frequenza e la messa a terra in un unico punto.

Impedenza dei conduttori di terra

L'elettrodo di messa a terra di un tipico impianto elettrico con messa a terra è in parallelo con le barre di terra situate sul lato linea del servizio, dei trasformatori e dei pali. La barra in prova è collegata all'elettrodo di terra. La resistenza equivalente delle barre di terra del lato linea è trascurabile.

Un metodo di messa a terra a punto singola è accettabile per frequenze inferiori a un MHz, ma è meno auspicabile per le alte frequenze. Un cavo di messa a terra a punto singolo aumenta l'impedenza di terra a causa dell'induttanza del filo e della capacità della pista, mentre la capacità vagante crea percorsi di ritorno a terra indesiderati. Per i circuiti ad alta frequenza, è necessaria una messa a terra a più punti. Tuttavia, questo metodo crea anelli di terra suscettibili all'induzione di campi magnetici. Pertanto, è importante evitare di utilizzare anelli di terra ibridi, soprattutto se il circuito contiene componenti sensibili.

Il rumore di terra può essere un problema importante nei circuiti ad alta frequenza, soprattutto quando i circuiti assorbono grandi correnti variabili dall'alimentazione. Questa corrente scorre nel ritorno a massa comune e provoca una tensione di errore, o DV. Questa varia con la frequenza del circuito.

Impedenza dei conduttori di collegamento

Idealmente, la resistenza dei conduttori di collegamento dovrebbe essere inferiore a un milli-ohm. Tuttavia, a frequenze più elevate, il comportamento di un conduttore di collegamento è più complesso. Può presentare effetti parassiti e capacità residua in parallelo. In questo caso, il conduttore di collegamento diventa un circuito risonante parallelo. Può anche presentare un'elevata resistenza dovuta all'effetto pelle, ovvero al flusso di corrente attraverso la superficie esterna del conduttore.

Un esempio tipico di accoppiamento di interferenze condotte è un motore o un circuito di commutazione alimentato da un microprocessore con un ritorno a terra. In questa situazione, l'impedenza del conduttore di terra è superiore alla sua frequenza di funzionamento ed è probabile che provochi la risonanza del circuito. Per questo motivo, i conduttori di terra sono in genere collegati in più punti, con lunghezze diverse.

Percorso DC dominante per i segnali a bassa frequenza

È opinione diffusa che il percorso DC dominante per i segnali a bassa frequenza sia più facile da implementare rispetto ai circuiti ad alta frequenza. Tuttavia, questo metodo presenta diverse limitazioni, soprattutto nelle implementazioni integrate. Queste limitazioni includono il rumore di sfarfallio, gli offset di corrente continua e le costanti di tempo elevate. Inoltre, questi progetti utilizzano solitamente resistenze e condensatori di grandi dimensioni, che possono produrre un forte rumore termico.

In generale, la corrente di ritorno dei segnali ad alta frequenza seguirà il percorso con la minore area del loop e la minore induttanza. Ciò significa che la maggior parte della corrente del segnale ritorna sul piano attraverso uno stretto percorso direttamente sotto la traccia del segnale.

Messa a terra a un punto

La messa a terra in un unico punto è un elemento essenziale per proteggere i siti di comunicazione dai fulmini. Oltre a un efficace collegamento, questa tecnica offre una protezione strutturale contro i fulmini. È stata ampiamente testata in aree soggette a fulmini e si è dimostrata un metodo efficace. Tuttavia, la messa a terra in un unico punto non è l'unica considerazione da fare.

Se la differenza di potenza tra i circuiti è elevata, potrebbe non essere pratico utilizzare la messa a terra in serie a punto singolo. La corrente di ritorno risultante può interferire con i circuiti a bassa potenza. Se la differenza di livello di potenza è bassa, è possibile utilizzare uno schema di messa a terra a punto singolo in parallelo. Tuttavia, questo metodo presenta molti svantaggi. Oltre a essere inefficiente, la messa a terra a un punto richiede una quantità maggiore di messa a terra e aumenta l'impedenza di terra.

I sistemi di messa a terra a un punto sono generalmente utilizzati nei progetti a bassa frequenza. Tuttavia, se i circuiti funzionano ad alta frequenza, un sistema di messa a terra a più punti può essere una buona scelta. Il piano di massa di un circuito ad alta frequenza dovrebbe essere condiviso da due o più circuiti. In questo modo si riducono le possibilità di loop magnetici.

Interferenze di potenza

Le interferenze di potenza possono degradare le prestazioni di un circuito e possono persino causare gravi problemi di integrità del segnale. Di conseguenza, è indispensabile gestire le interferenze di potenza nella progettazione ad alta frequenza. Fortunatamente, esistono metodi per affrontare questi problemi. I seguenti suggerimenti vi aiuteranno a ridurre la quantità di interferenze di potenza nei vostri progetti ad alta frequenza.

Innanzitutto, bisogna capire come si verificano le interferenze elettromagnetiche. Esistono due tipi principali di interferenze: continue e impulsive. Le interferenze continue derivano da fonti naturali e artificiali. Entrambi i tipi di interferenza sono caratterizzati da un meccanismo di accoppiamento e da una risposta. I disturbi impulsivi, invece, si verificano in modo intermittente e in tempi brevi.