Quando devo usar um plano de terra?

Eu sou novo no design de PCB. Meu circuito contém uma tensão de 3,3V, frequência máxima de sinal de 400 kHz e menos de 10 componentes conectados ao terra. Eu realmente preciso de um plano de terra no meu PCB? Ou, para ser mais preciso: quando devo usar um plano de terra?

Depende muito de você estar fabricando e vendendo um PCB comercial ou algumas placas únicas para seu próprio uso. Se o primeiro, um plano de terra é mais importante para manter as emissões irradiadas baixas para atender à FCC (parte 15, radiadores não intencionais), CE e outras regulamentações, embora eu tenha visto muitos produtos comerciais com placas de um ou dois lados e sem aviões terrestres. (Por outro lado, um dos meus clientes acabou de criar uma placa de seis camadas com três camadas de sinal, uma camada Vcc e dois planos de terra em uma configuração sanduíche.)

Se você tiver apenas sinais de até 400 kHz, parece que você não está usando um microcontrolador (ou, se estiver, está usando um oscilador interno para que não haja cristal). Se você prototipou seu circuito em uma placa de ensaio sem fio ou algo semelhante e funciona bem, deve funcionar bem sem um plano de aterramento.

Mesmo se você estiver produzindo um produto comercial, se o dispositivo estiver com bateria e não tiver sinais acima de 1,705 MHz (o que é verdade no seu caso), ele estará isento das regras da FCC.

Primeiro, você precisa se certificar de que suas suposições são válidas. Por exemplo, se o seu circuito estiver conectado a duas peças de equipamento alimentadas por fontes de comutação, haverá uma corrente de alta frequência em modo comum fluindo entre essas unidades. A corrente fluirá através do seu dispositivo, gerando tensões de "ruído" nas impedâncias dos traços em seu circuito.

Segundo: se é um problema ou não, depende apenas do que o circuito está fazendo. Você precisa estimar as impedâncias dos traços entre vários nós no circuito e modelar seus efeitos no circuito. Se você estiver usando uma ferramenta de modelagem de circuitos como a especiaria, substitua suas conexões "sólidas" por circuitos equivalentes às impedâncias de rastreamento. Você pode determinar se as tensões caídas nessas impedâncias são um problema ou não.

Idealmente, você deve sempre usar um plano de terra. Mas, por diferentes tipos de razão, nem sempre é possível ou adequado:

• PCB de 1 e 2 camadas:

Para uma camada, acho que o motivo é bastante óbvio. Você pode encher o PCB não roteado com cobre para GND, mas esse não é um plano de terra real.
Para duas camadas, você nem sempre tem espaço suficiente para rotear em uma camada e um plano de terra na outra, mas se puder, faça-o, mesmo se tiver alguns pequenos traços na camada do plano de terra.

• Design analógico:

Alguns projetos analógicos não devem ser referenciados a um plano de aterramento ou devem ter uma conexão em estrela para o GND.
Por exemplo, se você estiver executando um circuito de aquisição, deve se preocupar com os diferentes planos de referência. O mesmo para fontes de alimentação isoladas.

Também depende do seu projeto, se você estiver executando um projeto de nível de 5V CMOS, distúrbios como picos de 1V podem não afetar o comportamento do seu circuito, enquanto que com um 1,8V, isso se tornará bastante prejudicial para o comportamento.

O mesmo para frequência e tempo de subida: um circuito de baixa velocidade não difunde muito EMC em comparação com circuitos de alta velocidade (não estou falando da frequência do sinal, mas da frequência equivalente do tempo de subida).