【文章內(nèi)容簡介】 地被作為信號電流的低阻抗回路。這樣就會產(chǎn)生常遇到的三個問題：共模干擾、信號串擾和輻射。 共模干擾工作地（地線或地平面）具有一定的阻抗，電流流經(jīng)時會產(chǎn)生壓降。流經(jīng)工作地的電流主要來自兩個方面，一是信號的回流；另一個是信號狀態(tài)發(fā)生改變時器件電源的瞬態(tài)電流。典型的信號和電源共地邏輯電路PCB上共模電壓的產(chǎn)生見圖31。其中，Vnoise是電流流經(jīng)工作地時產(chǎn)生的共模噪聲電壓，該電壓引起地電位的波動造成共模干擾。圖31 PCB上共模噪聲電壓的產(chǎn)生 串擾PCB上相鄰的印制線之間存在互感和耦合電容，當信號電壓或電流隨時間快速變化時，會對周圍的信號產(chǎn)生不可忽視的串擾。見圖32，圖32（a）是串擾的等效電路。圖32（b）是集總參數(shù)下串擾（Crosstalk）與線間距D和印制線離參考平面高度H之間的關(guān)系。參考平面是與信號線鄰進的平面，可以是地平面也可以是電源平面。圖32 串擾 輻射與干擾PCB上的快速變化的電流回路，其作用相當于小回路天線，它會向外進行電磁場輻射。圖33（a）屬于差模輻射方式。輻射的電場強度與回路中電流的大小Io、回路的面積A、電流頻率f的平方成正比。同理，PCB上的信號回路（小回路天線）也會接收周圍快速變化的電磁場，而產(chǎn)生干擾電流。如圖33（b），當出入PCB的電纜上存在共模電流時，會產(chǎn)生共模輻射。輻射的電場強度與共模電流Icm的大小、共模電流的頻率f、線的長度L成正比。同時，它也會對PCB上的電路產(chǎn)生共模干擾。圖33 輻射共模干擾、串擾和輻射干擾都與PCB的接地設(shè)計有密切的關(guān)系。一個好的設(shè)計可以有效控制信號回路的阻抗和回路面積，減小公共阻抗耦合，降低干擾電流的幅度。 PCB接地設(shè)計原則 確定高di/dt電路 PCB設(shè)計開始時，首先要確定電路中可能的干擾源。一般是高di/dt電路，如：時鐘、總線緩沖器/驅(qū)動器、高功率振蕩器。在設(shè)計時注意隔離和屏蔽。 確定敏感電路確定電路中易受干擾的敏感電路，如：低電平模擬電路、復(fù)位電路、高速數(shù)據(jù)和時鐘。在設(shè)計時注意隔離和保護。 最小化地電感和信號回路信號線應(yīng)該盡量短，信號回路面積盡量小。對速度較高的電路應(yīng)采用有地平面的多層板。關(guān)鍵電路包括器件和走線，應(yīng)盡量遠離板的邊緣。板的邊緣存在較強的干擾場。 地層分割和地層不分割的合理應(yīng)用對于混合電路，若數(shù)字地與模擬地分割，不會出現(xiàn)或能夠很好解決信號跨越和信號回路的問題，可以采用分割。否則，建議采用“分區(qū)但不分割”的方法。即：布局和布線時嚴格區(qū)分數(shù)字與模擬區(qū)域，但地層并不分割開。避免信號跨越而形成大的信號回路。分割地和電源平面時，特別留意關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的信號回路。 接口地保持“干凈”，使噪聲無法通過耦合出入系統(tǒng)出入PCB板信號，特別是通過電纜連接的信號易將噪聲耦合出入系統(tǒng)，注意保持I/O地不受到共模干擾。接口部分的地盡量采用平面。 電路合理分區(qū)，控制不同模塊之間的共模電流對于純數(shù)字電路，應(yīng)該注意按電路工作速率高、中、低以及I/O進行分區(qū)。以減少電路模塊之間的共模電流。PCB上的接地設(shè)計，應(yīng)該貫徹設(shè)備系統(tǒng)的總體接地方案。特別是單板、背板，以及與機框機架需要搭接的地方，PCB上應(yīng)該具有系統(tǒng)要求的安裝孔、噴錫或采用其他鍍層的導(dǎo)電接觸面。 雙面板的接地設(shè)計在進行雙面板設(shè)計時，首先要構(gòu)思好電源和地線的安排，然后才確定布局。布線時最安全的方法是，從地線和電源開始，接著布需要與地非?？拷年P(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)。電源和地線有以下兩種結(jié)構(gòu)： 梳形電源、地結(jié)構(gòu)梳形（Comb）也稱指形（Finger）結(jié)構(gòu)，見圖34，地線和電源線由PCB板的一邊引出，形狀象梳子，由圖可以看出信號的回流都必須折回根部，回路面積大。所以，任何電路都不宜直接采用梳形的地結(jié)構(gòu)。梳形電源、地結(jié)構(gòu)的唯一優(yōu)點是由于電源、地都在PCB的同一層，有較完整的布線空間。缺點是信號的回路面積大。但只要對較重要的信號加以地保護，布線完成之后將空的地方都敷上地銅皮，并用多個過孔將兩層的地連接在一起，這個缺陷可以得到彌補。這種結(jié)構(gòu)只適用于低速電路、PCB上信號的走向較單一、而且走線密度較低的情況。圖34 梳形電源、地結(jié)構(gòu) 柵格形地結(jié)構(gòu)柵格形地結(jié)構(gòu)，見圖35，電源和地分別從PCB的頂層和底層，以正交方式引出，在電源和地交叉處放置去耦電容，電容的兩端分別接電源和地。與梳形比較，柵格形地結(jié)構(gòu)信號回路較小。柵格形地結(jié)構(gòu)適用于低速的CMOS和普通的TTL電路，但應(yīng)該注意對較高速的信號加以足夠的地保護，使回路面積和回流路徑的電感達到最小。圖35 柵格形電源、地結(jié)構(gòu) 多層板的接地設(shè)計 多層板的好處對于RF電路和高數(shù)字電路，或者器件的組裝密度較高的設(shè)計，必須采用多層板（層數(shù)大于等于4），電源和地采用平面的形式。其好處有三個：（1）為信號提供較穩(wěn)定的參考電平和低電感的信號回路，使所有信號線具有確定的阻抗值；（2）為電路提供低電感的工作電源供電；（3）可以控制信號間的串擾。 信號回路 信號回流路徑當信號頻率很低時，信號的回流主要沿最低電阻路徑，即幾何最短路徑，見圖36（a），圖中的虛線表示信號的回流。當信號達到一定頻率（F＞1KHz）時，信號的回流集中沿最低電感路徑，見圖36（b）。返回電流主要沿印制線的下方回流。圖中的虛線表示信號的回流。圖36 信號回流路徑 回流分布 信號頻率較高時回流分布的近視計算公式為：（公式插圖）其中：Io為總的信號電流，單位為A； H為信號線離地平面的高度； D為離信號線中心的距離。，能夠更好地理解布線中的3W原則。圖37 信號回流在其地平面上的電流分布 信號回路的構(gòu)成頻率較高時，不論信號緊靠的是電源平面還是地平面，信號的返回電流總是沿最近的參考平面回流。根據(jù)信號下的平面是電源網(wǎng)絡(luò)或地網(wǎng)絡(luò)平面，信號是由底到高，還是從高到低，回路的構(gòu)成情況有四種情況。以下例舉參考平面為電源網(wǎng)的兩種情況:(1)信號線的參考平面是電源平面，信號驅(qū)動由低到高圖38 信號回路的構(gòu)成如圖38（a），當驅(qū)動器由低到高時，傳輸線在驅(qū)動端通過低阻抗與電源平面連接，電流從電源經(jīng)驅(qū)動器流向初始狀態(tài)為低電平的傳輸線，電流沿傳輸線不斷地對傳輸線與電源平面之間的電容充電，使傳輸線上的電平達到高電平。在此過程中電流從電源經(jīng)驅(qū)動器、傳輸線、傳輸線和電源平面的分布電容，回到電源平面，構(gòu)成了完整的回路。（2）信號線的參考平面是電源，信號驅(qū)動由高到低 如圖38（b），當驅(qū)動器由高到低時，在電源平面上的傳輸線初始為高電平，在驅(qū)動端通過低阻抗將傳輸線與地連接，電流從傳輸線經(jīng)驅(qū)動器流向在電源平面之下的地網(wǎng)絡(luò)平面，當傳輸線上的電流流向驅(qū)動器時，在傳輸線的參考平面電源平面上就有反方向的回流。在此過程中電流從傳輸線經(jīng)驅(qū)動器流向在電源平面之下的地網(wǎng)絡(luò)平面，通過離驅(qū)動器最近的電容流向電源平面，再通過電源平面和傳輸線的分布電容，回到傳輸線，構(gòu)成完整的回路。這個過程本質(zhì)上是因為傳輸線與參考平面Vdd電源平面之間存在分布電容等，當傳輸線由于驅(qū)動器的作用出現(xiàn)電位變化時（由低到高或由高到低），分布電容就會放電或充電，放電電流或充電電流流經(jīng)參考平面時，就會引起參考平面電位的波動。所以，我們可以得出以下結(jié)論： 1）回路的構(gòu)成上，電源平面與地網(wǎng)絡(luò)平面同等重要；2）濾波電容不僅起平滑電源、為電源去耦的作用。它還在信號回路中起橋梁作用。應(yīng)該糾正所有信號只能從地回流、電源平面不重要的片面觀點； 參考平面被分割的影響 參考平面分割或開槽 參考平面被分割或者開槽時，將使從上面跨越的信號的回路面積增大，且信號線特征阻抗不連續(xù)，阻抗不連續(xù)是指印制線上相鄰的小區(qū)間出現(xiàn)阻抗值的變化。如圖39（a）中跨越低槽的信號Signal1和Signal2的回流必須沿槽繞行，除阻抗不連續(xù)，信號的回路面積增大之外，由于兩個信號有公共的一段回流路徑，串擾將會增大。另外，開槽處會產(chǎn)生較大的EMI。 為了便于更好地理解分割的參考平面給信號帶來的影響，我們可以用一根屏蔽電纜來近視其效果，如圖39（b），電纜的屏蔽層被割掉一段而用一段導(dǎo)線將屏蔽層連接。導(dǎo)線的長度類似回路繞行的距離。 時鐘信號走在地平面上 如圖310，時鐘信號走在地平面上，會帶來以下問題：若該地網(wǎng)絡(luò)平面相鄰的不是另一地平面，時鐘信號線離地平面較遠，中間還有信號層，造成時鐘信號線本身的阻抗難以控制；由于時鐘信號線走在地網(wǎng)絡(luò)平面上會造成平面被分割，使分割帶之上的信號回路必須繞分割帶回流，回路面積增大。當分割帶之上的信號線較多時，累積的大信號回路產(chǎn)生的EMI將不可忽視。 參考平面上通孔的隔離盤尺寸過大 如圖311，在參考平面上，若通孔的隔離盤尺寸過大，在焊盤較集中的地方會出現(xiàn)參考平面的局部斷裂，使該區(qū)域的回流信號繞行，增大回路面積。若隔離盤的尺寸適中，就可避免斷裂。所以，要避免在參考平面開槽，要避免在參考平面走線，要避免在參考平面上通孔隔離盤的尺寸過大，要盡可能保證參考平面的完整不分割，尤其是地平面。圖39 參考平面的分割對信號的影響圖310 高速時鐘信號走在地平面上產(chǎn)生的影響圖311 合理設(shè)計隔離盤 參考平面的設(shè)計在實際的設(shè)計中，完全禁止平面分割是不現(xiàn)實和不經(jīng)濟的。例如：（1）由于芯片的低功耗化和單板功能的復(fù)雜化，有時一個PCB板上會有三種以上的工作電源，安排每種電源一層是不合適的，可把幾種不用的電源安排在同一層面上，這樣，一個層面就被不同的電源網(wǎng)絡(luò)所分割。（2）為了避免不同的電路之間的干擾，不同的電路設(shè)置不同的地平面，這樣，一個層面就被不同的地平面所分割。參考平面的設(shè)計可分為3種情況： 數(shù)字電路與模擬電路之間沒有信號聯(lián)系布局時將數(shù)字電路和模擬電路分開，器件排列盡量緊湊，布線時避免數(shù)字電路的信號跨越模擬電路區(qū)域，避免模擬電路的信號跨越數(shù)字電路區(qū)域。兩個區(qū)域隔離足夠的距離。數(shù)字地與模擬地分割，然后在插座處單點連接。圖312 模擬地與數(shù)字地分割，在插座處單點連接 數(shù)字電路與模擬電路之間聯(lián)系的信號線較少且集中布局時將數(shù)字電路和模擬電路分開，器件排列盡量緊湊，布線時避免數(shù)字電路內(nèi)部的信號跨越模擬電路區(qū)域，避免模擬電路內(nèi)部的信號跨越數(shù)字電路區(qū)域。兩個區(qū)域隔離足夠的距離。為了抑制數(shù)字電路對模擬電路的干擾，數(shù)字地與模擬地分割，在插座處單點連接。但是，由于數(shù)字電路與模擬電路之間