Masseverbindungen auf Platinen optimal konfigurieren

Tabelle 1: Die vier unterschiedlichen Arten von Masse und Erde. Intersil

Erde ist eine vertraute Sache: Wir stehen auf ihr, graben sie um oder bauen im Urlaub daraus Sandburgen. Wenn also eine elektrische Schaltung geerdet werden soll, gehen wir intuitiv davon aus, dass diese Verbindung genau so fest ist wie der Boden unter unseren Füßen. In vielen Fällen ist das eine vernünftige Annahme – aber nicht immer. Um die Hintergründe systematisch zu untersuchen, ist zunächst etwas Terminologie gefragt (Tabelle 1). Mit „Masse“ (Ground) werden verschiedene Schaltungsknoten bezeichnet:

• Erdfreie Masse (Floating Ground) bezeichnet Referenzpunkte innerhalb eines galvanisch isolierten Systems. Sie dienen als bloße Referenz und liegen nur bedingt auf dem 0-V-Potenzial.
• Virtuelle Masse (Virtual Ground) existiert mit negativer Rückkopplung am invertierenden Terminal eines Operationsverstärkers. Wird der nicht-invertierende Eingang auf Null-Potenzial gehalten, bedingt die Rückkopplung (in einer stabilen Schaltung) das gleiche Potenzial am invertierenden Anschluss. Dieser Wert wird nur per Rückkopplung aufrechterhalten und bietet keinen stabilen Rückweg für andere in der Schaltung fließende Ströme.
• Betriebserde (AC Ground) ist ein Schaltungspunkt mit Gleichspannung niedriger Impedanz. Diese Gleichspannung ist stabil, mit geringen schaltungsbedingten Fluktuationen. Wegen seines Gleichspannungspotenzials eignet er sich nicht zur Erdung. Er bietet aber, wegen seiner Stabilität, eine gute Referenz. Denn für Wechselspannungen (oder kleine Nutzsignale) verhalten sich solche Punkte als unveränderlich – praktisch wie Erdpotenzial.
• Erde (Earth Ground) oder Erdpotenzial ist exakt, was das Wort besagt: Jedes Haus hat einen Tiefenerder im Erdreich, der Fehlerströme ableitet. Ohne vergrabene Stromquellen, etwa Batterien, ist die obere Erdschicht recht homogen. Trotzdem kann am Nachbarhaus ein Potenzialunterschied von einigen Hundert Mikrovolt auftreten.

Was ist Masse?

Befragt man Ingenieure nach einer Definition von Masse oder Ground, dann lauten typische Antworten „Null Volt“ oder „Null-Referenz“. Eine weiter gehende Definition liefert die Wikipedia: „Ein großer leitender Körper (wie die Erde), der als gemeinsamer Rückleiter für einen elektrischen Strom und als arbiträres Nullpotenzial genutzt wird.“ Diese Definition ist ganz hilfreich: Sie verweist auf die Doppelrolle der Masseverbindung bezüglich Spannung und Strom.

Um diese Doppelrolle genauer zu untersuchen, eignet sich der extrem einfache schematische Schaltkreis in Bild 1a. Die Schaltung könnte eine Vielfalt verschiedener Systeme repräsentieren – eine Taschenlampe, eine Kaffeemaschine oder einen iPod. Auch Bild 1b repräsentiert diese Schaltungen. Natürlich denkt man nicht im Traum daran, ein Gerät beim Abschalten von der Erde zu trennen. Man trennt es auf der Stromversorgungsseite.

Bild 1: Einfaches Schaltungsbeispiel. Ein Schalter unterbricht den Stromfluss auf dem Hin- oder Rückweg der Versorgung. Intersil

Dabei sind beide Wege gleich effektiv: Last und Schalter liegen in Serie, also ist die Reihenfolge irrelevant. Ein offener Schalter unterbricht den Stromfluss. Null Strom durch die Last heißt Null Leistung in der Last. Die Schaltung nach Bild 1a wird aber ungleich häufiger eingesetzt als die in Bild 1b, und zwar aus praktischen Gründen: Es ist wahrscheinlicher, dass ein System unvorhergesehenen Erdschluss bekommt (etwa über einen losen Draht am Chassis) und damit unerwünschte Leistung in der Last bewirkt, als umgekehrt durch eine zufällige Berührung mit der Stromversorgung. Das Prinzip ist aber ganz nützlich zum Verständnis.

Die Verbindungsleitungen zwischen Stromquelle und Last können recht unterschiedlich lang sein – Zentimeter in Haushaltgeräten oder viele Kilometer in Stromversorgungsnetzen. In kleinen Systemen ist die Annahme verlustloser Leitungen naheliegend und vernünftig. Bei wachsenden Systemdimensionen lassen sich die Verbindungen (Drähte, Metallisierungen, Schnittstellen) nicht mehr einfach als verlustlos ansehen. Ein Extrembeispiel sind die Netzleitungen vom Stromversorger zum Verbraucher. Vor den Umspannstationen wird die elektrische Leistung als Hochspannung mit einigen Hundert Kilovolt und minimalen Strömen transformiert, um die Verluste infolge des Serienwiderstandes zu begrenzen.

Systematik der Masseverbindungen

Bild 2: Topologien für Masseverbindungen: a) erdfreie Masse (Floating Ground), b) mehrfache Masseverbindungen (Multi-Point Ground) und c) Sternverbindung (Single-Point Ground). Intersil

Die Voraussetzung, dass sowohl der Strom im Rückleiter als auch der Spannungspegel wichtig sind, ermöglicht die Diskussion der zur Masseverbindung von Systemen eingesetzten Topologien. Bild 2 zeigt die am häufigsten verwendeten Konfigurationen.

Ein Beispiel für ein System mit erdfreien internen Masseverbindungen (Floating Ground) ist jedes batteriebetriebene Spielzeug oder Gerät. Gleiches gilt für die Patientenseite von galvanisch getrennten medizinischen Geräten. Dabei gibt es keine Nullvolt-Referenz zu einem im Erdboden versenkten Tiefenerder. Das niedrigste vorhandene Potenzial variiert, wobei die Batterie eine Potenzialdifferenz zwischen diesem Massepunkt und dem Versorgungsanschluss herstellt. Die galvanische Trennung stellt sicher, dass etwaige Erdströme nicht direkt in ein System mit Floating Ground einkoppeln können.

Es kann nicht nur einen geben

Ein Multipoint-Ground-System verwendet mehrere lokale Massepunkte oder -flächen. Jeder Schaltungsteil ist mit der nächstgelegenen Masse verbunden. Häufigstes Beispiel ist die Verwendung getrennter analoger und digitaler Masseebenen in Mixed-Signal-Systemen. In Multipoint-Ground-Systemen geht man einfach davon aus, dass jede der Masseverbindungen auf 0,00 V liegt. Als Ergebnis minimiert diese Vorgehensweise die Impedanz durch mehrfache parallele Massepfade. Dummerweise erzeugt dies oft Erdströme auf alternativen Rückleitern – so genannte Erdschleifen: Hat nämlich einer der Masseanschlüsse eine Spannung größer als 0 V, dann fließen Ladungen von diesem Anschluss zu jedem der anderen Masseanschlüsse. Das sorgt für Störungen und beschäftige die Systementwickler mit Debugging-Maßnahmen.

Ungeübte Praktiker sollten sich darüber im Klaren sein, dass das schnelle Zusammenstellen und Anschließen von Komponenten in einer Prototypschaltung meist zu solch einem Multipoint-Ground-System mit zahllosen Masseverbindungen führt. Falls dabei größere Erdströme auftreten, heißt das, die Masseverbindungen liegen nicht auf gleichem Potenzial. Einer der dann fälligen Debugging-Schritte ist die systematische Überprüfung der Masseverbindungen: Am besten misst man das Potenzial mit einem digitalen Multimeter an mehreren Schaltungspunkten und hält Ausschau nach Unterschieden. Bei vermuteten AC-Interferenzen empfiehlt sich hingegen der Einsatz eines Oszilloskops.

Jedes signifikante DC- oder AC-Signal an einem Masseknoten verweist auf einen benachbarten Schaltungsteil und verlangt nach einer Masseverbindung mit niedrigerem Widerstand, nach einer Platzierung näher an der Stromversorgung, spezifischen Schirmungs- oder Überbrückungsmaßnahmen oder irgendeine andere geeignete Form der Potenzialtrennung.

Bitte nicht mischen

Bei Mixed-Signal-Systemen ist es nicht zwangsläufig eine gute Idee, die analogen und digitalen Masseverbindungen getrennt zu führen. Die digitalen Masseanschlüsse sind wegen des vollen Signalhubs bis zur Versorgungsspannung (Rail-to-Rail) mit wesentlich größeren Rauschsströmen belegt. Die analoge Seite hingegen braucht eine rauscharme Masseverbindung für Referenzen und Genauigkeitsforderungen. Beide Systeme sollten daher separat angelegt und nur an einem einzigen Punkt verbunden sein, der als Systemmasse fungiert.

Sternverdrahtungen (Single-Point-Ground) erlauben keine lokalen Masseknoten, sondern nur einen einzigen zentralen Masseanschluss. Da sehr viele Anschlüsse auf diesen zentralen Punkt zugreifen, fallen einige Verbindungen in dieser stringenten Topologie länger aus. Leiterbahnen, die hochfrequente Signale führen, lassen sich über Spulen oder Ferritkerne isolieren, falls dafür Platz vorhanden ist. Längere Verbindungen erzeugen jedoch zusätzliche parasitäre Serienwiderstände.

Jede dieser Topologien hat also ihre Vor- und Nachteile beim Vermeiden von Erdschleifen und Einhalten des 0-V-Massepotenzials. Der einfachste Weg zum intuitiven Verständnis ist ein Vergleich mit der Serien- und Parallelschaltung. Im Multipoint-Ground-System verlaufen viele Masseverbindungen parallel. Parallele Systeme tendieren zu gemeinsamen Spannungspegeln, aber sie erzeugen gern Erdschleifen. Beim Masseanschluss mit Single-Point-Grounding (Stern) müssen alle Masseanschlüsse über einen einzigen Punkt führen. Die langen Verbindungswege aller Subsysteme und die gemeinsamen Masseverbindungen wirken als Serienwiderstände und erzeugen Offsetspannungen. Doch sie eliminieren zuverlässig Erdschleifen.

Schirmung und Antenneneffekte

Eine weitere wichtige Wirkung richtiger Masseanschlüsse ist gute Schirmung. Eine Schirmung wird üblicherweise an der Stromversorgung von Computern platziert. Das Gleiche gilt für die Subsysteme eines Mobiltelefons. Dabei werden dünne leitende Gehäuse mit der Masse verbunden. Sie verhindern damit das Eindringen in oder das Abstrahlen von Signalen aus den geschützten Bereichen.

Diese Schaltungsteile müssen geschirmt werden, weil alle Leiterbahnen, Anschlüsse, Schaltungsteile und Gehäuse als Antenne agieren können. Dabei fangen sie Störsignale von benachbarten Schaltungsteilen ebenso auf wie von lokalen Rundfunksendern. Da diese unerwünschten Signale die Versorgungs-, Masse- und Signalpfade stören können, ist es wichtig, die Länge jeder einzelnen Verbindung zu minimieren. Beim Laboraufbau heißt das, zentimeter- statt meterlanges Kabel zu verwenden. Die Versorgungs- und Masseverbindungen zur Stromversorgung sollten verdrillt sein, um mögliche Antennenschleifen zu minimieren.

Bild 3: Testschaltung für die Layouts in den Bildern 4 bis 6. Intersil

Für empfindliche Signalwege verwendet man besser Koaxkabel (BNC oder SMA) und nicht irgendein ungeschirmtes Stück Draht. Auf Leiterplatten mit mehreren Schaltungsebenen wird eine innen liegende Leiterbahn durch die äußeren Versorgungs- und Masseflächen geschirmt. Zu bedenken ist allerdings, dass die Vias zu den internen Layern das Hochfrequenzverhalten der Schaltung beeinflussen. Das Gleiche gilt für die von den Versorgungsebenen erzeugte zusätzliche Kapazität.

Beispiele für Masseverbindungen im PCB-Layout

Ein dualer OpAmp soll als Layout-Beispiel dienen. Eine einfache Kupferlage dient für das gesamte Routing – das ist zwar nicht gerade die beste Wahl in Bezug auf Geschwindigkeit, galvanische Trennung oder Kopplung, erleichtert aber die Betrachtungen. Bild 3 zeigt die komplette Schaltung für jedes folgende PCB-Layout-Beispiel. Die Kapazitäten C1 und C2 wurden eingefügt, um die Versorgung des dualen OpAmp zu überbrücken. Die Widerstände R1, R4, R5 und R8 dienen als Kabelabschluss, unter der Annahme einer 50-Ohm-Umgebung. Die Widerstände R2, R3, R6 und R7 bilden eine nicht-invertierende Konfiguration der Verstärker mit Verstärkungsfaktor 2. Außerdem werden einige Null-Ohm-Widerstände (R9 bis R12) eingefügt, da nur eine Schaltungsebene vorliegt und ein gewisses Maß an fliegendem Kabelwechsel notwendig ist.

Bild 4: Erster Versuch eines Layouts für Masseverdrahtung. Intersil

In Bild 4 ist ein erster Durchlauf zur Optimierung des vorgesehenen Schaltungslayouts zu sehen. Die Masseverbindung führt genau durch die Mitte und bildet das Rückgrat der bilateral symmetrischen Auslegung. Allerdings fließen sowohl die positiven, wie auch die negativen Versorgungsströme in einer großen Schleife um beide Seiten der Anordnung herum. Symmetrie hat zwar große Vorzüge, aber weniger vorteilhaft sind die um das Board herum führenden Versorgungsleitungen. Diese langen dünnen Leiterbahnen agieren als Antennen, sie empfangen das komplette lokal vorhandene HF-Rauschen. Außerdem bewirken sie auf beiden Wegen einen messbaren IR-Spannungsabfall – ein weiterer nachteiliger Effekt.

Optimierungsschritte

Bild 5: Im ersten Optimierungsschritt verlaufen die Masseleitungen außen und sind sehr breit. Intersil

Den nächsten Entwicklungsschritt zum günstigsten Layout zeigt Bild 5. In einem Single-Layer-Board ist dies eine gute Annäherung an eine durchgehende Masseebene (Ground Plane): Hier verlaufen die Erdschleifen am äußeren Umfang des Boards. Die Verbindung zur Masse ist dort angelegt, wo sie erforderlich ist, nach dem Prinzip Multi-Point Ground. Statt einer schmalen Leiterbahn ist die Masseverbindung hier breit ausgelegt, also mit erheblich geringerer Impedanz. Allerdings wird immer noch das in jede Stromversorgung eingekoppelte Rauschen aus der Schleife abgestrahlt, die von den Leiterbahnen für Stromversorgung und Masse gebildet wird.

Bild 6: Die gesplittete Sternverbindung (Split/Star-Ground Plane) ist für diese Schaltung ideal. Intersil

Bild 6 schließlich zeigt das beste Layout. Auch hier verläuft die Masseverbindung in einer Ebene um die eigentliche Schaltung herum. Doch sie besteht aus fünf getrennten Teilen, ist also kein kontinuierliches Ganzes. Man beachte, dass jede dieser Segmente mit den anderen verbunden ist – aber nur an einem einzigen Punkt. Dies ist ein Beispiel für eine Single-Point-Masse- oder Sternverbindung. Damit können die Ströme nicht frei durch die Massefläche fließen, sondern sie werden über spezifisch vorgesehene und kontrollierbare Pfade geführt. Diese Anordnung minimiert jedwede Antennenwirkung, sowohl für Senden wie für Empfang.

Tipps und Tricks

Die genannten Beispiele vermitteln gute Einsichten in die unterschiedlichen Konfigurationen zum Masseanschluss und deren Verhalten im Leiterplatten-Layout. Die beste praktische Regel lautet: „Follow the currents“ – Verfolge die Strompfade:

• Je länger ein Strompfad, desto wahrscheinlicher sind mögliche Komplikationen. Am besten sind breit ausgelegte Masseverbindungen mit niedriger Impedanz, und zwar so nahe wie möglich zu den Komponenten.
• Mehrfache Ströme können leicht interagieren. Falls sich mehrere Schleifen überlagern, sollte man die Masseverbindung unterbrechen, um den Kopplungseffekt zu minimieren.
• Auf keinen Fall sind die Rückströme vernachlässigbar. Jeder Strom aus einem Schaltungsknoten muss über irgendeinen Pfad zurückfließen. Wenn Hin- und Rückweg auf sehr kleinem Raum dicht benachbart sind, löschen sich ihre externen Felder gegenseitig aus. Wenn nicht, entsteht eine Antenne.

All diese Überlegungen zeigen, dass man beim Schaltungslayout keinesfalls davon ausgehen kann, dass die Masse immer perfekt funktioniert. Störungen durch unzureichende Erdung sind nicht so leicht aufzuspüren – um so mehr lohnt es sich, frühzeitig die hier vorgestellten Tipps und Hintergründe zu berücksichtigen.

(lei)