Físicamente, ¿cómo la conexión de una PCB a la tierra del chasis reduce el ruido?

Me doy cuenta de que esto parece duplicarse. ¿Debería conectarse la tierra del chasis a la tierra digital? pero las respuestas en ese hilo no explican por qué uno debería conectar el chasis a tierra de PCB, aparte de las preocupaciones obvias de seguridad que entiendo.

Mi lógica es esta: si tengo una PCB con circuitos analógicos sensibles, debería colocarla en un chasis de metal y mantenerla aislada de mi PCB. El chasis actúa como una jaula de faraday, que mantiene mi PCB fuera del ruido EM, y también evita que el ruido provenga de mi (digamos) RF PCB. No veo ninguna razón para conectar los dos, si la seguridad no es una preocupación. La respuesta de Draeth en el enlace antes mencionado parece estar de acuerdo con esto.

Sin embargo, la sabiduría convencional de personas muy expertas dice que se debe establecer una ruta de baja impedancia al chasis de metal para reducir el ruido y la EMI.

¿Por qué debería hacerse esto? Parece que al conectar mi tierra al chasis, uno expondría su circuito al ruido del exterior. ¡Y también exponga el exterior al ruido!

Esta será otra pregunta controvertida, así que déjenme parafrasear y ocasionalmente citar de una fuente (libro de texto) que considero creíble, EMC y la placa de circuito impreso de Mark Montrose. Primero, introduzcamos la terminología habitual:

• tierra de seguridad = una tierra que está conectada por una ruta de baja impedancia a tierra
• voltaje de señal (referencia) a tierra, p. ej. plano de tierra en una PCB

Ahora una cita potencialmente impactante (p. 249):

La conexión de los dos métodos de conexión a tierra puede no ser adecuada para una aplicación en particular y puede exacerbar los problemas de EMC. [...] Existen conceptos erróneos comunes sobre la conexión a tierra. La mayoría de los analistas creen que la conexión a tierra es una ruta de retorno actual que una buena conexión a tierra reduce el ruido del circuito. Esta creencia hace que muchos asuman que podemos hundir corriente de RF ruidosa en la tierra, generalmente a través de la estructura de conexión a tierra principal de un edificio. Esto es válido si estamos hablando de conexión a tierra de seguridad, no de referencia de voltaje de señal. Aunque una ruta de retorno de RF es obligatoria, no necesita estar en el potencial de tierra. El espacio libre no está en el potencial de tierra .

(El énfasis es mío).

Entonces, habiendo establecido eso (si fuera necesario decirlo), ¿qué hay de conectar una PCB (o en el caso de un dispositivo de múltiples placas, varias PCB) a tierra a la carcasa / chasis de metal, incluso si este último no está conectado a tierra? / tierra de seguridad? (Podría tener una jaula de Faraday alojada en una caja de plástico, por ejemplo).

Primero tenemos que aclarar algo más: si tiene un sistema de placas múltiples, la conexión a tierra de un solo punto (también conocida como tierra "sagrada", no es broma) es adecuada cuando la velocidad de las señales / componentes es de 1 Mhz o menos , generalmente se encuentra en circuitos de audio, sistemas de alimentación de red, etc. Para frecuencias de funcionamiento más altas, por ejemplo, una computadora, se utiliza una conexión a tierra multipunto. Para frecuencias mixtas, ambas se combinan en una técnica de conexión a tierra híbrida como se muestra a continuación (figura del libro de Montrose):

Y esto es básicamente por qué desea una conexión a tierra multipunto para sistemas de alta frecuencia, que en el libro de Montrose (p. 274) se explica en el contexto de un sistema con placas secundarias (por ejemplo, su computadora de escritorio típica):

Los campos de RF generados a partir de una PCB [...] se acoplarán a una estructura metálica. Como resultado, se desarrollarán corrientes de Foucault RF en la estructura y circularán dentro de la unidad creando una distribución de campo. Esta distribución de campo puede acoplarse a otros circuitos [...] Estas corrientes [eddy] se acoplan a la caja de la tarjeta a través de impedancias de transferencia distributiva y luego a través de intentos de cerrar el bucle volviendo a acoplar a la placa posterior. Si la impedancia de referencia de modo común entre el plano posterior y la caja de la tarjeta no es significativamente menor que la "fuente de activación" distributiva (de las corrientes parásitas), se desarrollará un voltaje de RF entre el plano posterior y la caja de la tarjeta. [...] En pocas palabras, el potencial espectral en modo común entre el plano posterior y el compartimento de la tarjeta debe reducirse.

Si se preguntó por qué la placa base de su computadora de escritorio tiene conexiones eléctricas a través de todos los tornillos que la sujetan a la carcasa (metálica), es por eso que están ahí.

NB: Joffe and Lock's Grounds for Grounding da más o menos la misma explicación en su sección titulada "Propósito de unir los planos de retorno de PCB al chasis" , por lo que creo que los expertos están de acuerdo en esto.

Más específicamente, la sabiduría convencional es tener exactamente una conexión de baja impedancia a tierra del chasis. Con frecuencia está muy cerca del regulador de voltaje.

Es importante que solo haya una conexión. Habrá corrientes de ruido que fluirán sobre y alrededor de la caja, siempre que la caja sea de metal y esté completamente cerrada, y por lo tanto esté actuando como una jaula de Faraday. Sin embargo, siempre que se conecte en un solo lugar, las corrientes que fluyan alrededor del chasis no pueden fluir a través de sus circuitos. No pueden, porque no hay camino.

Sin embargo, si tiene dos conexiones, entonces si hay algún voltaje entre esos dos puntos (que es probable, dado todo el ruido), entonces la corriente de ruido puede fluir a través de sus circuitos.

Entonces, ¿por qué no cero conexiones? Bueno, piensa en eso. ¿Cómo va a entrar los cables? Supongo que si está alimentado por baterías y no tiene entradas o salidas, puede colocar todo en una jaula de Faraday y eso podría funcionar bastante bien. Ciertamente, esto no es factible para la mayoría de los circuitos, que tienen al menos algunas conexiones externas, algunas de las cuales están referenciadas a tierra, por lo que debe conectarse a ellas en algún lugar.

¿Por qué no hacer que esas conexiones externas pasen por un orificio en la caja a través de un conector aislado para que no estén conectadas eléctricamente a la caja? Bueno, entonces, cualquier ruido de modo común en esos cables pasará directamente a través del orificio y dentro de la carcasa. Es mejor que no tengas ningún caso.

Idealmente, el blindaje de cualquier cable de entrada o salida está conectado al chasis de metal. Si piensa en esto topológicamente, el caso es como una sección más gruesa de la pantalla del cable, y su circuito está dentro del cable.

Debe preguntarse qué más fuera de la caja está conectado a la PCB. Si se conecta un cable al PCB, destruiría el blindaje gravemente al permitir que el ruido ingrese a través del cable a su PCB. Ahora realmente depende de la situación si ayuda a agregar una ruta de baja impedancia desde su tierra de señal al chasis para deshacerse del desorden que deja pasar a través de los cables. Si se deshace del ruido directamente en el punto donde ingresa al chasis mediante condensadores y un acoplamiento de 360 ​​grados del blindaje del cable, todavía tiene razón. En su mayoría, esto no es muy práctico y es aconsejable dejar que la señal de tierra sea parte de la ruta de ruido al chasis.