Fisicamente, in che modo il collegamento di un PCB alla massa del telaio riduce il rumore?

Mi rendo conto che questo può sembrare duplicato La terra dello chassis deve essere collegata alla terra digitale? ma le risposte in quella discussione non spiegano perché si dovrebbe collegare il telaio alla terra del PCB, a parte ovvi problemi di sicurezza che capisco.

La mia logica è questa: se ho un PCB con circuiti analogici sensibili, dovrei inserirlo in un telaio metallico e tenerlo isolato dal mio PCB. Lo chassis funge da gabbia di Faraday, che impedisce al mio PCB di emettere rumore EM esterno e impedisce al rumore di emanare dal mio (diciamo) PCB RF. Non vedo alcun motivo per collegare i due, se la sicurezza non è un problema. La risposta di Draeth nel link sopra menzionato sembra concordare con questo.

Tuttavia, la saggezza convenzionale di persone molto competenti afferma che dovrebbe essere stabilito un percorso a bassa impedenza verso il telaio metallico per ridurre il rumore e l'IME.

Perché questo dovrebbe essere fatto? Sembra che collegando la mia terra al telaio, si esponga il loro circuito al rumore dall'esterno. E anche esporre l'esterno al rumore!

Questa sarà un'altra domanda controversa, quindi lasciami parafrasare e occasionalmente citare da una fonte (libro di testo) che trovo credibile, EMC e il circuito stampato di Mark Montrose. Innanzitutto, introduciamo la solita terminologia:

• terra di sicurezza = una terra collegata da un percorso a terra a bassa impedenza
• tensione di segnale (riferita) a terra, ad es. piano di terra su un PCB

Ora una citazione potenzialmente scioccante (p. 249):

Il collegamento dei due metodi di messa a terra potrebbe non essere idoneo per una particolare applicazione e potrebbe esacerbare i problemi EMC. [...] Esistono idee sbagliate comuni riguardo alla messa a terra. La maggior parte degli analisti ritiene che la terra sia un percorso di ritorno attuale che una buona terra riduce il rumore del circuito. Questa convinzione induce molti a supporre che possiamo affondare rumorosa corrente RF nella terra, generalmente attraverso la struttura di messa a terra principale di un edificio. Ciò vale se si tratta di messa a terra di sicurezza, non di riferimento di tensione del segnale. Sebbene un percorso di ritorno RF sia obbligatorio, non è necessario che sia al potenziale base. Lo spazio libero non è al potenziale di terra .

(Enfasi mia).

Quindi, avendo stabilito che (se fosse necessario dirlo), che dire del collegamento di un PCB (o nel caso di un dispositivo multi-board, diversi PCB) messo a terra sulla custodia / telaio in metallo anche se quest'ultimo non è collegato alla terra / terra di sicurezza? (Ad esempio, potresti avere una gabbia di Faraday alloggiata in un involucro di plastica.)

Per prima cosa dobbiamo chiarire qualcos'altro: se si dispone di un sistema multi-board, la messa a terra a punto singolo (aka terra "santa", nessun scherzo) è adatta quando la velocità di segnali / componenti è 1 Mhz o meno , di solito si trova in circuiti audio, sistemi di alimentazione di rete, ecc. Per frequenze operative più elevate, ad esempio un computer, viene utilizzata la messa a terra multipunto. Per le frequenze miste entrambe sono combinate in una tecnica di messa a terra ibrida come mostrato di seguito (figura dal libro di Montrose):

Ed ecco fondamentalmente il motivo per cui si desidera la messa a terra multipunto per i sistemi ad alta frequenza, che nel libro di Montrose (p. 274) è spiegato nel contesto di un sistema con schede madri (ad esempio il tipico computer desktop):

I campi RF generati da un PCB [...] si accoppieranno a una struttura metallica. Di conseguenza, le correnti parassite RF si svilupperanno nella struttura e circoleranno all'interno dell'unità creando una distribuzione sul campo. Questa distribuzione sul campo può accoppiarsi ad altri circuiti [...] Queste correnti [parassite] sono accoppiate alla gabbia della scheda attraverso impedenze di trasferimento distributivo e quindi attraverso tentativi di chiudere il circuito accoppiando di nuovo al backplane. Se l'impedenza di riferimento in modo comune tra il backplane e la gabbia della scheda non è significativamente inferiore alla "sorgente motrice" distributiva (delle correnti parassite), verrà sviluppata una tensione RF tra il backplane e la gabbia della scheda. [...] In poche parole, il potenziale spettrale di modo comune tra il backplane e la gabbia della scheda deve essere cortocircuitato.

Se ti chiedi perché la scheda madre del tuo computer desktop ha connessioni elettriche attraverso tutte le viti che la fissano alla custodia (metallica), ecco perché sono lì.

NB: i motivi di messa a terra di Joffe e Lock forniscono praticamente la stessa spiegazione nella loro sezione intitolata "Scopo di ricucire gli aerei di ritorno del PCB sullo chassis" , quindi penso che gli esperti siano d'accordo su questo.

Più specificamente, la saggezza convenzionale è quella di avere esattamente una connessione a bassa impedenza con la massa del telaio. Spesso è molto vicino al regolatore di tensione.

È importante che ci sia una sola connessione. Ci saranno correnti di rumore che fluiscono sopra e intorno alla custodia, a condizione che la custodia sia di metallo e completamente chiusa, e quindi si comporti come una gabbia di Faraday. Tuttavia, fintanto che ci si connette in un solo posto, qualunque corrente circoli nel telaio non può fluire attraverso i circuiti. Non possono, perché non c'è percorso.

Tuttavia, se hai due connessioni, allora se c'è una tensione tra questi due punti (che è probabile, dato tutto il rumore), allora la corrente di rumore può fluire attraverso i tuoi circuiti.

Quindi, perché non zero connessioni? Bene, pensaci. Come farai entrare i fili? Suppongo che se è alimentato a batterie e non ha ingressi o uscite, puoi mettere tutto in una gabbia di Faraday e questo potrebbe funzionare abbastanza bene. Certamente questo non è fattibile per la maggior parte dei circuiti, che hanno almeno alcune connessioni esterne, alcune delle quali sono riferite a terra, quindi è necessario connettersi ad esse da qualche parte.

Perché queste connessioni esterne non passano attraverso un foro nel case attraverso un connettore isolato in modo che non siano collegate elettricamente al case? Bene, allora qualsiasi rumore di modo comune su quei cavi verrà appena attraverso il foro e all'interno della custodia. Potresti anche non avere alcun caso.

Idealmente, la schermatura di eventuali cavi in ​​entrata o in uscita è collegata al telaio metallico. Se ci pensi topologicamente, il case è proprio come una sezione più grassa della schermatura del cavo e il tuo circuito è all'interno del cavo.

Dovresti chiederti cos'altro è attaccato al pcb. Se un cavo è collegato al pcb, si distruggerebbe gravemente la schermatura lasciando entrare il rumore attraverso il cavo al pcb. Ora dipende davvero dalla situazione se aiuta ad aggiungere un percorso a bassa impedenza dalla terra del segnale allo chassis per sbarazzarsi del disordine che si fa entrare attraverso i fili del cavo. Se si elimina il rumore direttamente nel punto in cui entra nello chassis tramite condensatori e accoppiamento a 360 gradi della schermatura del cavo, si ha ancora ragione. Principalmente questo non è molto pratico ed è consigliabile lasciare che la massa del segnale faccia parte del percorso del rumore verso il telaio.