Discontinuità dei piani di massa

Anche se la separazione fisica dei piani di massa (in sezioni analogica e digitale) può funzionare bene isolando maggiormente le due circuiterie, presenta molti potenziali problemi soprattutto in sistemi molto complessi. Uno dei vincoli principali e più comuni è che non si possono tracciare connessioni sulle aperture (split) dei piani (sia di massa che di alimentazione), altrimenti si verificano principalmente tre problemi.

Abbiamo visto che l’uso dei piani risulta indispensabile in applicazioni in cui si voglia ottenere il controllo dell’impedenza (linee di trasmissione); un buon controllo dell’impedenza richiede un controllo continuo della geometria ed un percorso di ritorno continuo direttamente sotto la traccia. Se una traccia attraversa la linea di confine tra due piani, il segnale di ritorno non può saltare questa discontinuità (gap) e questo causa una discontinuità di impedenza ed una riflessione e quindi un potenziale problema di rumore in quel punto.

Inoltre, se il segnale di ritorno non può saltare la discontinuità, deve cercare un percorso alternativo che aumenta inevitabilmente l’area del loop di corrente aumentando i problemi di EMI/EMC.

Supponiamo poi che due tracce attraversino una separazione tra due piani; poiché le loro correnti di ritorno non possono saltare il gap, devono trovare un altro percorso. Anche se le tracce di segnale sono separate tra loro, i loro percorsi di ritorno non lo sono, incrementando così la probabilità di avere crosstalk. Quindi, quando i segnali attraversano gli split plane, può verificarsi il crosstalk anche dove non ci sono cause apparenti e questo tipo di crosstalk è inoltre difficile da diagnosticare.

Se dividiamo il piano di massa in analog e digital ground e anche solo una traccia attraversa l’apertura, come mostrato in Fig. 3.34, le prestazioni del sistema peggiorano notevolmente perché dipendono dal percorso della corrente di ritorno.

Fig. 3.34: Tracce di segnale attraversano l’apertura (split) del ground plane

Supponendo che i due piani di ground siano connessi tra loro in un singolo punto, il percorso della corrente di ritorno non sarà più immediatamente sotto la traccia (c’è un ostacolo da aggirare), ma si allargherà creando una spira più grande. Correnti ad alta frequenza che circolano in grandi spire producono radiazioni e un’alta induttanza di ground; correnti analogiche a basso livello che circolano in grandi spire sono suscettibili ad interferenze. Una configurazione da evitare assolutamente è quella mostrata in Fig. 3.35, dove il piano di massa è diviso in analogico e digitale e le due parti sono connesse insieme solo sull’alimentazione.

In questo caso infatti la corrente di ritorno viene forzata a tornare indietro verso il ground dell’alimentazione formando una spira veramente molto grande; inoltre, abbiamo creato un dipolo (antenna) costituito dai piani di massa analogica e digitale che si trovano a differenti potenziali RF e sono collegati tra loro attraverso fili (o tracce) molto lunghi.

Per evitare questi problemi (causati dal passaggio di una traccia sulle aperture dei piani) bisogna innanzitutto prestare molta attenzione al layout della scheda e al posizionamento dei componenti; i circuiti devono essere raggruppati in base all’alimentazione e quindi al flusso dei segnali.

Se è necessario suddividere il piano di massa in ground analogico e digitale (lo stesso vale per il power plane) ed inoltre devono passare delle tracce attraverso l’apertura, bisogna prima collegare i due piani tra loro formando una sorta di ponte. Questa situazione è mostrata in Fig. 3.36.

Fig. 3.36: I piani di ground analogico e digitale sono collegati tra loro (ponte)

In questo modo, tutte le tracce possono passare da un piano all’altro senza attraversare le fenditure; il ponte (zona di collegamento tra i due ground) fornisce un percorso di ritorno per la corrente direttamente sotto la relativa traccia, producendo così una spira di corrente veramente molto piccola e riducendo di conseguenza le radiazioni emesse. Altri modi accettabili per far passare un segnale attraverso un piano che è stato suddiviso sono attraverso optoisolatori o trasformatori; nel primo caso quello che attraversa lo split è un segnale ottico; nel secondo caso un campo magnetico. Un’altra è l’uso di segnali differenziali in cui il segnale scorre su una traccia e torna indietro sull’altra traccia; la corrente di ritorno non ha bisogno del ground come riferimento.

Nonostante le difficoltà connesse con il routing delle tracce attraverso le aperture (split o slot) dei piani, l’uso degli split plane non è comunque sempre sconsigliato; può essere adeguato infatti in apparecchiature mediche con richieste di perdita molto basse tra la rete elettrica di potenza e la porzione del circuito connessa al paziente; o nel controllo di alcuni processi industriali dove le uscite sono connesse ad apparecchi elettromeccanici ad

alta potenza molto rumorosi; o quando il layout di una PCB è stato progettato in modo non corretto. Nei primi due casi i segnali che attraversano le aperture del ground plane sono di solito ottici o accoppiati tramite un trasformatore e quindi soddisfano la condizione del non attraversamento degli split del ground plane; in questo caso la divisione del piano di massa migliorerà le prestazioni della PCB mantenendo la corrente digitale di ritorno nel ground digitale, come si vede in Fig. 3.37.

Fig. 3.37: PCB mixed-signal con split ground ed una traccia digitale realizzata in modo scorretto

Anche se la divisione del ground plane confina la corrente di ground digitale nel piano di massa digitale, il vero problema è sempre l’inappropriato routing delle tracce digitali ad alta velocità.