【導(dǎo)讀】在印刷電路板設(shè)計中,為什么要盡可能使用接地平面?接地平面降低了信號返回路徑的電感。這反過來又將瞬時接地電流產(chǎn)生的噪聲降至最低。本文將討論信號通路如何在多層PCB上工作以及返回通路電感的概念。
在印刷電路板設(shè)計中,為什么要盡可能使用接地平面?接地平面降低了信號返回路徑的電感。這反過來又將瞬時接地電流產(chǎn)生的噪聲降至最低。本文將討論信號通路如何在多層PCB上工作以及返回通路電感的概念。
信號選擇阻抗最小路徑
考慮一個雙層電路板,如圖1所示。底層是接地層,電流源連接到頂層的U形跡線。頂層跡線通過VIA1和VIA2連接到底層。
圖1.圖片由Analog Devices提供。
首先,如圖2所示,將DC電流注入頂層跡線。
圖2.圖像由Analog Devices提供。
電流沿著U形跡線下降。然后,通過VIA1到達地平面。地平面的哪一部分將電流傳回VIA2?可以將地平面設(shè)想為無限多平行的窄軌跡。電流將選擇具有相對較小阻抗的跡線。由于從VIA1到VIA2的直接路徑最短并且電阻最小,因此大部分電流將流過該路徑。當(dāng)離開這條阻力最小的路徑時,電流密度會迅速下降。假設(shè)將交流電流注入U形跡線。它會采用直流電流的相同路徑嗎?
直流電流采用阻抗最?。ɑ螂娮枳钚。┑穆窂健τ贏C電流,阻抗取決于路徑的電阻和電感。雖然最短路徑提供最小電阻,但它不一定提供最小電感。路徑的電感取決于電流產(chǎn)生的環(huán)路面積。圖3顯示了信號跟蹤及其返回路徑創(chuàng)建的示例電流環(huán)路。如果由電流產(chǎn)生的環(huán)路面積增加,則電感將按比例增加。
圖3.圖片由Analog Devices提供。
例如,圖4中的紅色返回路徑創(chuàng)建的循環(huán)比綠色路徑更大。因此,在這兩條路徑之間,AC電流通過綠色路徑,其具有較小的電感。對于路徑的總阻抗,實際上應(yīng)該考慮電阻和電感。然而,隨著AC信號的頻率增加,電感對路徑阻抗的貢獻大于電阻的數(shù)量級。因此,如圖4所示,高頻返回電流將直接在U形跡線下方流動,以最小化環(huán)路面積(為簡單起見,忽略了路徑電阻)。當(dāng)離開地平面中的這條路徑時,電流密度將迅速降低。
圖4.圖像由Analog Devices提供
對于上面的例子,我們有一個地平面,可以設(shè)想為無限多的窄平行路徑。返回電流流過那些使阻抗最小化的路徑。使用雙層電路板,我們負(fù)擔(dān)不起接地層。在這種情況下,可能有一條軌道(而不是一個平面)用于返回電流。即使電流可能表現(xiàn)出很大的電感,也要強制電流經(jīng)過這條路徑。對于雙層電路板的一些關(guān)鍵信號走線(例如時鐘信號),我們可以路由適當(dāng)?shù)姆祷芈窂?,但我們不能對電路板上的所有跡線執(zhí)行此操作。如何降低雙面電路板上所有跡線的電流路徑電感?我們將很快討論雙層板的高效地面系統(tǒng)。