一、前言
接地無(wú)疑是系統設計中最為棘手的問(wèn)題之一。盡管它的概念相對比較簡(jiǎn)單,實(shí)施起來(lái)卻很復雜,遺憾的是,它沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)明扼要可以用詳細步驟描述的方法來(lái)保證取得良好效果,但如果在某些細節上處理不當,可能會(huì )導致令人頭痛的問(wèn)題,特別是隨著(zhù)電子產(chǎn)品的傳輸速度越來(lái)越大,接地問(wèn)題也是日益突出。
二、高頻工作的接地
關(guān)于高頻工作接地一般提倡電源和信號電流最好通過(guò)"接地層"回流,而且該層還可為轉換器、基準電壓源和其它子電路提供參考節點(diǎn)。但是,即便廣泛使用接地層也不能保證交流電路具有高質(zhì)量接地參考。
三、接地實(shí)際的分析
圖1所示的簡(jiǎn)單電路采用兩層印刷電路板制造,頂層上有一個(gè)交直流電流源,其一端連到過(guò)孔1,另一端通過(guò)一條U形銅走線(xiàn)連到過(guò)孔2。兩個(gè)過(guò)孔均穿過(guò)電路板并連到接地層。理想情況下,頂端連接器以及過(guò)孔1和過(guò)孔2之間的接地回路中的阻抗為零,電流源上的電壓為零。
圖1.電流源的原理圖和布局,PCB上布設U形走線(xiàn),通過(guò)接地層返回
這個(gè)簡(jiǎn)單原理圖很難顯示出內在的微妙之處,但了解電流如何在接地層中從過(guò)孔1流到過(guò)孔2,將有助于我們看清實(shí)際問(wèn)題所在,并找到消除高頻布局接地噪聲的方法。
圖2.圖1所示PCB的直流電流的流動(dòng)
圖2所示的直流電流的流動(dòng)方式,選取了接地層中從過(guò)孔1至過(guò)孔2的電阻最小的路徑。雖然會(huì )發(fā)生一些電流擴散,但基本上不會(huì )有電流實(shí)質(zhì)性偏離這條路徑。相反,交流電流則選取阻抗最小的路徑,而這要取決于電感。
圖3.磁力線(xiàn)和感性環(huán)路(右手法則)
電感與電流環(huán)路的面積成比例,二者之間的關(guān)系可以用圖3所示的右手法則和磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)明。環(huán)路之內,沿著(zhù)環(huán)路所有部分流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互增強。環(huán)路之外,不同部分所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互削弱。因此,磁場(chǎng)原則上被限制在環(huán)路以?xún)?。環(huán)路越大則電感越大,這意味著(zhù):對于給定的電流水平,它儲存的磁能(Li2)更多,阻抗更高(XL = jωL),因而將在給定頻率產(chǎn)生更大電壓。
圖4.接地層中不含電阻(左圖)和含電阻(右圖)的交流電流路徑
電流將在接地層中選取哪一條路徑呢?自然是阻抗最.低的路徑??紤]U形表面引線(xiàn)和接地層所形成的環(huán)路,并忽略電阻,則高頻交流電流將沿著(zhù)阻抗最.低,即所圍面積最小的路徑流動(dòng)。
在圖中所示的例子中,面積最小的環(huán)路顯然是由U形頂部走線(xiàn)與其正下方的接地層部分所形成的環(huán)路。圖2顯示了直流電流路徑,圖4則顯示了大多數交流電流在接地層中選取的路徑,它所圍成的面積最小,位于U形頂部走線(xiàn)正下方。實(shí)際應用中,接地層電阻會(huì )導致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導線(xiàn)正下方之間的某處。不過(guò),即使頻率低至1 MHz或2 MHz,返回路徑也是接近頂部走線(xiàn)的下方。
四、接地總結
(1)信號回流面積越大,輻射能力越強,抗干擾能力越弱;
(2)減少關(guān)鍵信號的回流面積;
(3)對于時(shí)鐘信號回流面積小,輻射還超標建議可以翻看其他文章。
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