Masseverbindungen

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Masseverbindungen auf Platinen optimal konfigurieren
Fachartikel von Dr. Tamara Schmitz
Bei der vermeintlich simplen Aufgabe, eine Schaltung zu erden, gibt es etliche Stolperstellen. Es stehen diverse
Konzepte der funktionellen Erdung zur Wahl, also unterschiedliche Topologien für Masseverbindungen. Wie erkennt
man die möglichen Probleme? Welche Vorgehensweise sichert gute Massekonfigurationen? Der Beitrag definiert
und diskutiert Konzepte in realen Situationen.
Tabelle 1: Die vier unterschiedlichen Arten von Masse und Erde. (Bild: 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:
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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
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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. (Bild: 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
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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). (Bild: 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.
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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.
Auf einen Blick
In Grund und Boden: Masse, Erde, Null-Volt-Referenz: Keine Schaltung kommt ohne sie aus, und doch ranken sich
manche Mythen um diese Aufgabe. Der Beitrag stellt systematisch die Hintergründe vor und gibt praxisnahe Tipps,
welches Grounding sich in welcher Situation am besten eignet.
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.
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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-VMassepotenzials. 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 SinglePoint-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.
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Bild 3: Testschaltung für die Layouts in den Bildern 4 bis 6. (Bild: 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.
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Bild 4: Erster Versuch eines Layouts für Masseverdrahtung. (Bild: 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 IRSpannungsabfall – ein weiterer nachteiliger Effekt.
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Optimierungsschritte
Bild 5: Im ersten Optimierungsschritt verlaufen die Masseleitungen außen und sind sehr breit. (Bild: 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.
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Bild 6: Die gesplittete Sternverbindung (Split/Star-Ground Plane) ist für diese Schaltung ideal. (Bild: 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:
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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.
Quelle Intersil
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