„Sollte GND an einem Punkt zusammengeführt oder als durchgehende Fläche (Massefläche) ausgeführt werden?“
Das ist eine häufige Frage im Masse-Design. Bei der Recherche findet man Artikel, die sagen „Sternmasse ist richtig“, und andere, die sagen „nimm eine Massefläche“ – und man weiß nicht, was die richtige Antwort ist.
Die kurze Antwort: Beide sind richtig – man muss sie jedoch je nach Frequenz unterschiedlich einsetzen. In diesem Artikel ordnen wir das Prinzip beider und ihre Anwendungsbedingungen.
- Warum ist die Art der GND-Führung überhaupt ein Problem?
- Sternmasse — Der Gedanke, die gemeinsame Impedanz null zu machen
- Massefläche (durchgehende Masse) — Der Gedanke, die Impedanz konsequent zu senken
- Vergleich mit uSimmics — Sternmasse vs. Massefläche
- Der Ansatz ändert sich mit der Frequenz — Zusammengefasst
- Zusammenfassung
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Warum ist die Art der GND-Führung überhaupt ein Problem?
Der Kern der GND-Verdrahtungsprobleme ist die gemeinsame Impedanz, die wir auch in einem früheren Artikel angesprochen haben.
Wenn sich mehrere Schaltungen dieselbe GND-Leitung teilen, erzeugt eine Stromänderung in einer Schaltung eine Spannung an dieser gemeinsamen Impedanz und verschiebt das GND-Potenzial einer anderen Schaltung mit. Das ist die „Störbeeinflussung über GND“.
Wie man mit dieser gemeinsamen Impedanz umgeht, ist der grundlegende Unterschied zwischen Sternmasse und Massefläche.
Sternmasse — Der Gedanke, die gemeinsame Impedanz null zu machen
Der Gedanke der Sternmasse ist einfach: die GND-Leitung jeder Schaltung einzeln führen und nur an einer Stelle zusammenführen. So teilen sich die Schaltungen keine GND-Leitung, und es entsteht keine gemeinsame Impedanz.
Die Wirkung ist auch experimentell belegt. Vergleicht man eine Platine, deren GND-Verdrahtung absichtlich eine gemeinsame Impedanz erhält, mit einer als Sternmasse verdrahteten Platine, so weist die Sternmasse-Variante weit weniger Rauschen auf GND auf.
Die Schwäche der Sternmasse — Bei hohen Frequenzen wirkt sie nicht
Allerdings hat die Sternmasse eine grundsätzliche Grenze.
Führt man die GND-Leitungen einzeln und lang, entsteht zwischen den Bahnen eine Streukapazität (parasitäre Kapazität). Bei hohen Frequenzen werden sie über diese Streukapazität elektrisch verbunden, sodass die mühsam einzeln geführten GND-Leitungen „unsichtbar verbunden“ sind. Mit anderen Worten: Bei hohen Frequenzen verliert die Sternmasse ihre Wirkung, und die langen GND-Leitungen wirken stattdessen als Antennen, die Rauschen aufnehmen.
Die Sternmasse ist im Bereich von Gleichstrom bis zu niedrigen Frequenzen (grob unterhalb einiger zehn kHz) wirksam. In Audioschaltungen und niederfrequenten Analogschaltungen ist sie bis heute Standard, für digitale oder hochfrequente Schaltungen ist sie jedoch ungeeignet.
Massefläche (durchgehende Masse) — Der Gedanke, die Impedanz konsequent zu senken
Der Gedanke der Massefläche ist der Gegensatz zur Sternmasse. Statt die gemeinsame Impedanz „null zu machen“, zielt sie darauf ab, sie „so klein wie möglich zu machen“.
Bedeckt man eine ganze Seite der Platine mit GND-Kupfer (eine durchgehende Fläche), verteilt sich die Impedanz über die gesamte Fläche, sodass der Strom, woher er auch kommt, mit sehr niedriger Impedanz aufgenommen wird. Die gemeinsame Impedanz wird nicht null, aber so klein, dass sie keinen echten Schaden anrichtet.
Die Massefläche wirkt auch bei hohen Frequenzen
Anders als die Sternmasse ist die Massefläche auch bei hohen Frequenzen wirksam. Eine flächige Kupferschicht wird von der Streukapazität kaum beeinflusst und hält auch bei steigender Frequenz eine niedrige Impedanz. Als Nebeneffekt schirmt sie zudem die Signal-Routing-Lagen ab.
Bei einer zweilagigen Platine ist es üblich, eine Seite der Massefläche zu widmen. Bei mehrlagigen Platinen mit vier oder mehr Lagen weist die Standardkonfiguration der Versorgungsfläche (durchgehendes V) und der Massefläche jeweils eigene Lagen zu.
Vergleich mit uSimmics — Sternmasse vs. Massefläche
Vergleich bei niedriger Frequenz
Vergleich bei hoher Frequenz
Der Ansatz ändert sich mit der Frequenz — Zusammengefasst
| Sternmasse | Massefläche (durchgehende Masse) | |
|---|---|---|
| Prinzip | Die gemeinsame Impedanz beseitigen | Die gemeinsame Impedanz minimieren |
| Wirksame Frequenz | Gleichstrom bis niedrige Frequenz (unter einigen zehn kHz) | Niedrige bis hohe Frequenz (breit wirksam) |
| Geeignete Schaltungen | Audio, niederfrequente Analogtechnik | Digital, hochfrequente Analogtechnik, gemischte Platinen |
| Schwäche | Bei hoher Frequenz durch Streukapazität aufgehoben | Gemeinsame Impedanz erreicht nie null |
Auf modernen Digitalplatinen, deren Taktfrequenzen mehrere zehn bis mehrere hundert MHz erreichen, ist die Massefläche der De-facto-Standard. Für niederfrequente Analogschaltungen wie Audio- und Instrumentenverstärker ist die Sternmasse dagegen bis heute eine gültige Option.
Was tun bei gemischten Analog-Digital-Platinen?
Auf Platinen, auf denen Analog- und Digitalschaltungen zusammenleben, wird häufig GND in einen Analog- und einen Digitalbereich aufgeteilt und nur an einer Stelle verbunden. Das ist eine „geteilte Massefläche + Sternpunkt-Verbindung“, ein Kompromiss zwischen beiden. Wählen Sie den Verbindungspunkt dort, wo das Überkoppeln von Rauschen minimal ist, etwa direkt unter dem A/D-Wandler.
Zusammenfassung
- Die Sternmasse ist eine Technik, die die gemeinsame Impedanz beseitigt, und ist für niederfrequente Analogschaltungen wirksam.
- Bei hohen Frequenzen geht ihre Wirkung durch die Streukapazität verloren, daher ist sie für Digitalschaltungen ungeeignet.
- Die Massefläche minimiert die Impedanz über die gesamte Fläche und ist bis zu hohen Frequenzen breit wirksam.
- Auf modernen Digitalplatinen ist die Massefläche Standard. Für niederfrequente Analogtechnik ist auch die Sternmasse eine Option.
- Für gemischte Platinen ist der Kompromiss „geteilte Fläche + Sternpunkt-Verbindung“ praxisgerecht.
Beim Masse-Design gibt es keine „absolut richtige Antwort“. Wichtig ist, die Betriebsfrequenz der eigenen Schaltung zu prüfen und die passende Technik zu wählen.
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