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接地层如何降低PCB噪声?

作者:不详 ; 发布时间:2019-12-2 11:48:08 ; 来源:互联网  点击:

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。

信号选择阻抗最小路径

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。

接地层如何降低PCB噪声?

图1.图片由Analog Devices提供。

 

首先,如图2所示,将DC电流注入顶层迹线。

接地层如何降低PCB噪声?

图2.图像由Analog Devices提供。

 

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?

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。

接地层如何降低PCB噪声?

图3.图片由Analog Devices提供。

 

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。

接地层如何降低PCB噪声?

图4.图像由Analog Devices提供

 

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。

 
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