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降低双面PCB中的噪声:双层PCB设计中的多点接地(栅极接地)

Steve Arar 2019-09-16

多层板的接地平面可以显着改善电路的噪声性能。对于双面板,我们通常不能有地平面,我们希望有更多的噪音和排放。由于这种限制,我们更喜欢多层板,除非成本目标迫使我们使用双层板。尽管我们没有带双层电路板的接地层,但仍有一些技术可用于改善电路性能。本文介绍了接地网技术,它允许我们为双面板实现高效的接地电路。7cS电子头条

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接地层如何降低电路板噪声?为了更好地理解接地网技术的运行,它将帮助您首先了解PCB中接地层的功能。7cS电子头条

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什么是接地网?7cS电子头条

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接地网由跨PCB的接地网络创建。例如,如图1所示,我们可以在电路板底层有一些水平接地走线,顶层有一些垂直接地走线。此外,在垂直和水平地面轨迹的交叉处有通孔。7cS电子头条

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图1.图片由TI提供。7cS电子头条

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上述技术如何创建低电感地面系统?图1中的网格相当粗糙。图2中显示了更精细的接地网格(不区分底部和顶部接地迹线)。信号走线将左上角的门输出连接到右下角的门输入。7cS电子头条

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图2.图片由EMC和印刷电路板提供。7cS电子头条

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如你所见,可以通过地面网格提供的许多替代返回路径来关闭当前循环。虽然有许多并联的返回路径,但大部分电流将流过最靠近信号走线的路径,以最小化路径电感。图中示出了可能具有相对小的电感的可能的返回路径。请注意,对于接地网格,你可能必须使用多个过孔来在PCB上布线信号走线。这在图3中示出(它未在图2的概念图中示出)。7cS电子头条

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图3.图片由电磁兼容性介绍提供。7cS电子头条

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因此,最好让大多数顶层迹线垂直运行,大部分底层迹线水平运行,这样就需要更少的过孔。7cS电子头条

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效果如何?7cS电子头条

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检查地面系统有效性的一种方法是测量电路板上各种IC之间的接地噪声电压。一项研究比较了使用接地网的两层电路板的IC接地端与单点接地的类似设计的接地端之间的电压差。该研究表明,接地网可以将IC接地端之间的电压差从1000 mV降低到100 mV(这是各种IC组合之间的最佳改进)。根据这项研究,当应用接地网技术时,电路板辐射减少了约7 dB。7cS电子头条

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为了显着降低接地电路电感,应使用0.5英寸或更小的接地网格间距。通常,随着工作频率的增加,可能需要使用更精细的网格来提供更多的并行路径并降低接地系统电感。接地网技术与工作频率高达10 MHz的电路兼容;在此频率以上应使用接地层。7cS电子头条

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其他版本的接地网技术7cS电子头条

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不同的书籍和应用笔记提出了略微不同版本的接地网技术。虽然图1的接地层仅依赖于地面轨迹,但 Howard Johnson和Martin Graham的《高速数字设计:黑色魔法手册》中提到的网格如图4所示。7cS电子头条

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图4.图片由Howard Johnson和Martin Graham的《高速数字设计:黑色魔法手册》提供7cS电子头条

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在这种情况下,顶层上的垂直接地迹线被电源迹线替换。水平构件连接到地面。请注意,这些接地走线位于电路板的底部并且是连续的;它们不会被顶层的电源线断开。图4的接地网格将起作用,因为AC返回电流可以沿着接地走线或电源走线同样良好地流回其源极。由于过孔不能用于此方案,我们必须在垂直和水平走线的交叉点使用旁路电容。这些电容应具有高质量,以使电流容易流回其驱动门。我们还可以在顶层和底层上都有地线和电源线。这显示在下面的图5中。7cS电子头条

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图5.图片由TI提供。7cS电子头条

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这将占用更多的电路板空间,但我们预计它会表现出更低的电感,因为现在返回电流可以流过接地走线和电源走线。流过电源走线的返回电流部分将使用旁路电容到达附近的地线,通过该走线可以流回驱动门。如果电路板空间限制不允许使用宽走线,则可以使用窄走线实现栅格。如图6所示。7cS电子头条

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图6.图片由电磁兼容工程提供。7cS电子头条

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宽走线可以提供更低的电阻,这对于低频考虑很重要;然而,即使是窄的迹线也可以为电网系统增加许多并行路径并降低接地电感(高频考虑)。7cS电子头条

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结论7cS电子头条

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接地路径电感可通过几种不同的机制增加电路板噪声。多层板允许我们拥有可以显着降低接地电感的坚固接地层。然而,对于双面板,我们必须采用其他技术,例如接地网,来实现低电感接地系统。一项研究表明,接地网可以将发射减少约7 dB,并将地电压差异减少一个数量级。7cS电子头条