地平面如何降低PCB中的噪聲？在本技術文章中了解更多信息。

為什么在PCB設計中盡可能使用地平面？接地平面減小了信號返回路徑的電感。反過來，這可以最大限度地減少瞬態接地電流產生的噪聲。

在本文中，我們將討論信號路徑如何在多層PCB上工作以及返回路徑電感的概念。

信號選擇最小阻抗路徑

考慮一個雙層電路板，如圖1所示。底層是接地層，電流源是連接到頂層的U形跡線。頂層跡線通過VIA1和VIA2連接到底層。

圖1。圖片由ADI公司提供。

首先，如圖所示在圖2中，DC電流注入頂層跡線。

圖2。圖片由ADI公司提供。

電流沿著U形跡線下降。然后，通過VIA1，它到達地平面。地平面的哪一部分將電流傳回VIA2？我們可以將地平面設想為無限數量的并行的窄軌跡。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。當我們離開這條阻力最小的路徑時，電流密度會迅速下降。

現在，我們假設我們將一個交流電流注入U形跡線。

它會不會采用相同的直流電流路徑？

直流電流采用阻抗最?。ɑ蜃钚‰娮瑁┑穆窂?。對于AC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生的環路面積。圖3顯示了信號跟蹤及其返回路徑創建的示例電流環路。如果由電流產生的環路面積增加，則電感將按比例增加。

圖3。圖片由ADI公司提供。

例如，紅色返回路徑在圖4中，創建了一個比綠色路徑更大的循環。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，我們實際上應該考慮電阻和電感。然而，隨著AC信號的頻率增加，電感對路徑阻抗的貢獻最終變得大于電阻的數量級。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，以最小化環路面積（為簡單起見，我們忽略了路徑電阻）。當我們在地平面上遠離這條路徑時，電流密度會迅速下降。

圖4。圖片由ADI公司提供

對于上面的例子，我們有一個可以設想為無限多個窄平行路徑的地平面。返回電流流過那些使阻抗最小化的路徑。使用雙層電路板，我們買不起地平面。在這種情況下，我們可能有一條軌道（而不是一個平面）用于返回電流。即使電流可能表現出很大的電感，也要強制電流經過這條路徑。對于雙層電路板的一些關鍵信號走線（例如時鐘信號），我們可以路由適當的返回路徑，但我們不能對電路板上的所有走線執行此操作。我們如何降低雙面電路板上所有走線的電流路徑電感？我們將很快討論雙層電路板的高效接地系統，但在此之前，我們先簡要介紹接地路徑電感增加電路板噪聲的機制。

為什么返回路徑電感很重要？

通過將電感器與電路原理圖的接地串聯，可以得到一個簡單的返回路徑電感模型。一個例子如圖5所示。假設門1的輸出從邏輯高變為邏輯低。這將通過接地路徑釋放存儲在C STRAY 中的電荷?？紤]到今天的快速邏輯門，放電將在很短的時間內完成（Δ t ）。放電電流將流過接地電感。如果通過電感的電流在邏輯轉換期間改變Δ I ，則邏輯門的地將反彈$ V = L \ frac {ΔI} {Δt} $$。/p>

在這種情況下，處于邏輯低電平的柵極輸出（圖4中的柵極2）將經歷噪聲電壓脈沖。如果足夠大，這個噪聲電壓可能會導致柵極4輸出端產生不必要的轉換。

此外，如圖4所示，接地噪聲電壓可以耦合到離開PCB的電纜。作為天線，這些電纜會輻射并引起EMC問題。

圖5顯示了另一種有趣的機制，接地電感可能會導致問題。當柵極1的輸出從邏輯高轉變為邏輯低時，柵極1內的晶體管將雜散電容連接到由接地路徑產生的電感器。如果連接CSTRAY和地電感的晶體管呈現小電阻，則會產生高Q串聯諧振電路。這可能導致邏輯門轉換具有相當大的振鈴。如果我們不能充分降低接地電感，我們可能需要在柵極輸出端串聯一個電阻（例如51Ω）來抑制振鈴。

圖5.圖片由電磁兼容工程提供。

上述噪聲機制表明，在設計PCB時，接地路徑電感至關重要。如前所述，多層板允許我們具有堅固的接地層，這可以顯著降低接地電感。但是，對于雙面電路板，我們必須采用其他技術來實現低電感接地系統。