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接地层如何降低PCB噪声?

Steve Arar 2019-09-17

在印刷电路板设计中,为什么要尽可能使用接地平面?接地平面降低了信号返回路径的电感。这反过来又将瞬时接地电流产生的噪声降至最低。本文将讨论信号通路如何在多层PCB上工作以及返回通路电感的概念。LMB电子头条

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信号选择阻抗最小路径LMB电子头条

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考虑一个双层电路板,如图1所示。底层是接地层,电流源连接到顶层的U形迹线。顶层迹线通过VIA1和VIA2连接到底层。LMB电子头条

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图1.图片由Analog Devices提供。LMB电子头条

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首先,如图2所示,将DC电流注入顶层迹线。 LMB电子头条

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图2.图像由Analog Devices提供。LMB电子头条

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电流沿着U形迹线下降。然后,通过VIA1到达地平面。地平面的哪一部分将电流传回VIA2?可以将地平面设想为无限多平行的窄轨迹。电流将选择具有相对较小阻抗的迹线。由于从VIA1到VIA2的直接路径最短并且电阻最小,因此大部分电流将流过该路径。当离开这条阻力最小的路径时,电流密度会迅速下降。假设将交流电流注入U形迹线。它会采用直流电流的相同路径吗?LMB电子头条

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直流电流采用阻抗最小(或电阻最小)的路径。对于AC电流,阻抗取决于路径的电阻和电感。虽然最短路径提供最小电阻,但它不一定提供最小电感。路径的电感取决于电流产生的环路面积。图3显示了信号跟踪及其返回路径创建的示例电流环路。如果由电流产生的环路面积增加,则电感将按比例增加。LMB电子头条

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图3.图片由Analog Devices提供。LMB电子头条

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例如,图4中的红色返回路径创建的循环比绿色路径更大。因此,在这两条路径之间,AC电流通过绿色路径,其具有较小的电感。对于路径的总阻抗,实际上应该考虑电阻和电感。然而,随着AC信号的频率增加,电感对路径阻抗的贡献大于电阻的数量级。因此,如图4所示,高频返回电流将直接在U形迹线下方流动,以最小化环路面积(为简单起见,忽略了路径电阻)。当离开地平面中的这条路径时,电流密度将迅速降低。LMB电子头条

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图4.图像由Analog Devices提供LMB电子头条

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对于上面的例子,我们有一个地平面,可以设想为无限多的窄平行路径。返回电流流过那些使阻抗最小化的路径。使用双层电路板,我们负担不起接地层。在这种情况下,可能有一条轨道(而不是一个平面)用于返回电流。即使电流可能表现出很大的电感,也要强制电流经过这条路径。对于双层电路板的一些关键信号走线(例如时钟信号),我们可以路由适当的返回路径,但我们不能对电路板上的所有迹线执行此操作。如何降低双面电路板上所有迹线的电流路径电感?我们将很快讨论双层板的高效地面系统。 LMB电子头条

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为什么返回路径电感很重要?LMB电子头条

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通过将电感器与电路原理图的接地串联,可以获得返回路径电感的简单模型。一个例子如图5所示。假设门1的输出从逻辑高变为逻辑低。这将通过接地路径释放存储在CSTRAY中的电荷。考虑到今天的快速逻辑门,放电将在很短的时间内发生(Δt)。放电电流将流过接地电感。如果在逻辑转换期间,通过电感器的电流变化∆i,逻辑门的接地将反弹v=lΔi/Δt。在这种情况下,处于逻辑低的栅极输出(图4中的栅极2)将经历噪声电压脉冲。如果足够大,噪声电压会导致门4的输出发生不必要的转换。此外,如图4所示,接地噪声电压可以耦合到离开PCB的电缆。作为天线,这些电缆会辐射并导致EMC问题。 LMB电子头条

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图5显示了另一种有趣的机制,接地电感可能会引起问题。当栅极1的输出从逻辑高转变为逻辑低时,栅极1内的晶体管将杂散电容连接到由接地路径产生的电感器。如果连接CSTRAY和地电感的晶体管呈现小电阻,则会产生高Q串联谐振电路。这可能导致逻辑门转换具有相当大的振铃。如果我们不能充分降低接地电感,我们可能需要在栅极输出端串联一个电阻(例如51Ω)来抑制振铃。LMB电子头条

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图5.图片由电磁兼容工程提供。LMB电子头条

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上述噪声机制表明,在设计PCB时,接地路径电感至关重要。如前所述,多层板允许我们具有坚固的接地层,这可以显着降低接地电感。然而,对于双面板,我们必须采用其他技术来实现低电感接地系统。LMB电子头条