«¿La masa debe reunirse en un solo punto o convertirse en un plano macizo (plano de masa)?»
Es una duda frecuente en el diseño de masa. Al buscar, encuentras artículos que dicen «la masa en un punto es lo correcto» y otros que dicen «usa un plano de masa», y no sabes cuál es la respuesta correcta.
La respuesta breve: ambas son correctas, pero hay que usarlas de forma distinta según la frecuencia. En este artículo ordenamos el principio de cada una y sus condiciones de aplicación.
- ¿Por qué, para empezar, importa cómo se traza la masa?
- Masa en un punto — La idea de hacer cero la impedancia común
- Plano de masa (masa maciza) — La idea de bajar la impedancia a fondo
- Comparación en uSimmics — Masa en un punto vs. plano de masa
- El enfoque cambia con la frecuencia — En resumen
- Resumen
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¿Por qué, para empezar, importa cómo se traza la masa?
El núcleo de los problemas del cableado de masa es la impedancia común que también mencionamos en un artículo anterior.
Cuando varios circuitos comparten la misma pista de masa, un cambio de corriente en un circuito genera una tensión en esa impedancia común y desplaza también el potencial de masa de otro circuito. Esto es la «interferencia de ruido a través de la masa».
Cómo se trata esta impedancia común es la diferencia fundamental entre la masa en un punto y el plano de masa.
Masa en un punto — La idea de hacer cero la impedancia común
La idea de la masa en un punto es sencilla: trazar la masa de cada circuito por separado y unirlas en un solo lugar. Así los circuitos no comparten cableado de masa, por lo que no surge impedancia común.
El efecto también está demostrado experimentalmente. Al comparar una placa a la que se le da a propósito una impedancia común en el cableado de masa con una placa cableada como masa en un punto, esta última presenta mucho menos ruido sobre la masa.
La debilidad de la masa en un punto — No funciona a altas frecuencias
Sin embargo, la masa en un punto tiene una limitación fundamental.
Al trazar las líneas de masa por separado y largas, surge una capacidad parásita (capacitancia de dispersión) entre las pistas. A altas frecuencias quedan conectadas eléctricamente a través de esta capacidad parásita, de modo que las líneas de masa que te tomaste el trabajo de trazar por separado terminan «conectadas donde no se ve». Es decir, a altas frecuencias la masa en un punto deja de funcionar y, al contrario, esas líneas de masa largas actúan como antenas que captan ruido.
La masa en un punto es eficaz en el rango de continua a baja frecuencia (aproximadamente por debajo de unas decenas de kHz). Sigue siendo el método estándar en circuitos de audio y analógicos de baja frecuencia, pero no es adecuada para circuitos digitales ni de alta frecuencia.
Plano de masa (masa maciza) — La idea de bajar la impedancia a fondo
La idea del plano de masa es la contraria a la de la masa en un punto. En lugar de «hacer cero» la impedancia común, busca «hacerla lo más pequeña posible».
Al cubrir toda una cara de la placa con cobre de masa (un plano macizo), la impedancia se distribuye por toda la superficie, de modo que, venga de donde venga la corriente, se recibe con una impedancia muy baja. La impedancia común no llega a cero, pero se hace tan pequeña que no causa daño real.
El plano de masa también funciona a altas frecuencias
A diferencia de la masa en un punto, el plano de masa es eficaz también a altas frecuencias. Una lámina de cobre plana se ve poco afectada por la capacidad parásita y mantiene una baja impedancia aunque suba la frecuencia. Además, como efecto secundario, apantalla las capas de trazado de señal.
En una placa de 2 capas es habitual dedicar una cara al plano de masa. En placas multicapa de 4 o más capas, la configuración estándar asigna el plano de alimentación (V macizo) y el plano de masa a sus propias capas dedicadas.
Comparación en uSimmics — Masa en un punto vs. plano de masa
Comparación a baja frecuencia
Comparación a alta frecuencia
El enfoque cambia con la frecuencia — En resumen
| Masa en un punto | Plano de masa (masa maciza) | |
|---|---|---|
| Principio | Eliminar la impedancia común | Minimizar la impedancia común |
| Frecuencia eficaz | Continua a baja frecuencia (por debajo de decenas de kHz) | Baja a alta frecuencia (ampliamente eficaz) |
| Circuitos adecuados | Audio, analógico de baja frecuencia | Digital, analógico de alta frecuencia, placas mixtas |
| Debilidad | Anulada por la capacidad parásita a alta frecuencia | La impedancia común nunca llega a cero |
En las placas digitales modernas, donde las frecuencias de reloj alcanzan de decenas a cientos de MHz, el plano de masa es el estándar de facto. Por otro lado, en circuitos analógicos de baja frecuencia como amplificadores de audio y de instrumentación, la masa en un punto sigue siendo una opción válida.
¿Qué hacer con las placas mixtas analógico + digital?
En placas donde conviven circuitos analógicos y digitales, un método habitual es dividir la masa en una región analógica y otra digital y conectarlas en un solo lugar. Es un «plano de masa dividido + conexión en un punto», un compromiso entre ambos. Elige el punto de conexión donde el paso de ruido sea mínimo, como justo debajo del convertidor A/D.
Resumen
- La masa en un punto es una técnica que elimina la impedancia común y es eficaz para circuitos analógicos de baja frecuencia.
- A altas frecuencias su efecto se pierde por la capacidad parásita, así que no es adecuada para circuitos digitales.
- El plano de masa minimiza la impedancia en toda la superficie y es ampliamente eficaz hasta altas frecuencias.
- En las placas digitales modernas el plano de masa es el estándar. Para analógico de baja frecuencia, la masa en un punto también es una opción.
- Para placas mixtas, el compromiso «plano dividido + conexión en un punto» es práctico.
No hay una «respuesta correcta absoluta» en el diseño de masa. Lo importante es comprobar la frecuencia de operación de tu circuito y elegir la técnica adecuada.
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