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PCB接地设计宝典5：高频工作的接地和如何避免割裂

2014-11-20 11:00:35 3473

0 针对高频工作的接地一般提倡电源和信号电流最好通过“接地层”返回，而且该层还可为转换器、基准电压源和其它子电路提供参考节点。但是，即便广泛使用接地层也不能保证交流电路具有高质量接地参考。图9所示的简单电路采用两层印刷电路板制造，顶层上有一个交直流电流源，其一端连到过孔1，另一端通过一条U形铜走线连到过孔2。两个过孔均穿过电路板并连到接地层。理想情况下，顶端连接器以及过孔1和过孔2之间的接地回路中的阻抗为零，电流源上的电压为零。图9. 电流源的原理图和布局，PCB上布设U形走线，通过接地层返回。这个简单原理图很难显示出内在的微妙之处，但了解电流如何在接地层中从过孔1流到过孔2，将有助于我们看清实际问题所在，并找到消除高频布局接地噪声的方法。图10. 图9所示PCB的直流电流的流动。图10所示的直流电流的流动方式，选取了接地层中从过孔1至过孔2的电阻最小的路径。虽然会发生一些电流扩散，但基本上不会有电流实质性偏离这条路径。相反，交流电流则选取阻抗最小的路径，而这要取决于电感。图11. 磁力线和感性环路（右手法则）。电感与电流环路的面积成比例，二者之间的关系可以用图11所示的右手法则和磁场来说明。环路之内，沿着环路所有部分流动的电流所产生的磁场相互增强。环路之外，不同部分所产生的磁场相互削弱。因此，磁场原则上被限制在环路以内。环路越大则电感越大，这意味着：对于给定的电流水平，它储存的磁能(Li2)更多，阻抗更高(XL = jωL)，因而将在给定频率产生更大电压。图12. 接地层中不含电阻（左图）和含电阻（右图）的交流电流路径。电流将在接地层中选取哪一条路径呢？自然是阻抗最低的路径。考虑U形表面引线和接地层所形成的环路，并忽略电阻，则高频交流电流将沿着阻抗最低，即所围面积最小的路径流动。在图中所示的例子中，面积最小的环路显然是由U形顶部走线与其正下方的接地层部分所形成的环路。图10显示了直流电流路径，图12则显示了大多数交流电流在接地层中选取的路径，它所围成的面积最小，位于U形顶部走线正下方。实际应用中，接地层电阻会导致低中频电流流向直接返回路径与顶部导线正下方之间的某处。不过，即使频率低至1 MHz或2 MHz，返回路径也是接近顶部走线的下方。小心接地层割裂如果导线下方的接地层上有割裂，接地层返回电流必须环绕裂缝流动。这会导致电路电感增加，而且电路也更容易受到外部场的影响。图13显示了这一情况，其中的导线A和导线B必须相互穿过。当割裂是为了使两根垂直导线交叉时，如果通过飞线将第二根信号线跨接在第一根信号线和接地层上方，则效果更佳。此时，接地层用作两个信号线之间的天然屏蔽体，而由于集肤效应，两路地返回电流会在接地层的上下表面各自流动，互不干扰。多层板能够同时支持信号线交叉和连续接地层，而无需考虑线链路问题。虽然多层板价格较高，而且不如简单的双面电路板调试方便，但是屏蔽效果更好，信号路由更佳。相关原理仍然保持不变，但布局布线选项更多。对于高性能混合信号电路而言，使用至少具有一个连续接地层的双面或多层PCB无疑是最成功的设计方法之一。通常，此类接地层的阻抗足够低，允许系统的模拟和数字部分共用一个接地层。但是，这一点能否实现，要取决于系统中的分辨率和带宽要求以及数字噪声量。图13. 接地层割裂导致电路电感增加，而且电路也更容易受到外部场的影响。其他例子也可以说明这一点。高频电流反馈型放大器对其反相输入周围的电容非常敏感。接地层旁的输入走线可能具有能够导致问题的那一类电容。要记住，电容是由两个导体（走线和接地层）组成的，中间用绝缘体（板和可能的阻焊膜）隔离。在这一方面，接地层应与输入引脚分隔开，如图14所示，它是AD8001高速电流反馈型放大器的评估板。小电容对电流反馈型放大器的影响如图15所示。请注意输出上的响铃振荡。图14. AD8001AR评估板—俯视图(a)和仰视图(b)。图15. 10 pF反相输入杂散电容对放大器(AD8001)脉冲响应的影响。 1
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