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高頻信號(hào)接地探討

更新時(shí)間:2021-12-06      點(diǎn)擊次數(shù):1550

一、前言

接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為棘手的問題之一。盡管它的概念相對(duì)比較簡(jiǎn)單,實(shí)施起來卻很復(fù)雜,遺憾的是,它沒有一個(gè)簡(jiǎn)明扼要可以用詳細(xì)步驟描述的方法來保證取得良好效果,但如果在某些細(xì)節(jié)上處理不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致令人頭痛的問題,特別是隨著電子產(chǎn)品的傳輸速度越來越大,接地問題也是日益突出。

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(hào)電流最好通過"接地層"回流,而且該層還可為轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源和其它子電路提供參考節(jié)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,其一端連到過孔1,另一端通過一條U形銅走線連到過孔2。兩個(gè)過孔均穿過電路板并連到接地層。理想情況下,頂端連接器以及過孔1和過孔2之間的接地回路中的阻抗為零,電流源上的電壓為零。

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圖1.電流源的原理圖和布局,PCB上布設(shè)U形走線,通過接地層返回

這個(gè)簡(jiǎn)單原理圖很難顯示出內(nèi)在的微妙之處,但了解電流如何在接地層中從過孔1流到過孔2,將有助于我們看清實(shí)際問題所在,并找到消除高頻布局接地噪聲的方法。

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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孔1至過孔2的電阻最小的路徑。雖然會(huì)發(fā)生一些電流擴(kuò)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。

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圖3.磁力線和感性環(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)來說明。環(huán)路之內(nèi),沿著環(huán)路所有部分流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互增強(qiáng)。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)路以內(nèi)。環(huán)路越大則電感越大,這意味著:對(duì)于給定的電流水平,它儲(chǔ)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。

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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。考慮U形表面引線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(shù)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形頂部走線正下方。實(shí)際應(yīng)用中,接地層電阻會(huì)導(dǎo)致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導(dǎo)線正下方之間的某處。不過,即使頻率低至1 MHz或2 MHz,返回路徑也是接近頂部走線的下方。

四、接地總結(jié)

(1)信號(hào)回流面積越大,輻射能力越強(qiáng),抗干擾能力越弱;
(2)減少關(guān)鍵信號(hào)的回流面積;
(3)對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)回流面積小,輻射還超標(biāo)建議可以翻看其他文章。

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