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幾種地線的分析 (1)地線網格平行地線概念的延伸是地線網格,這使信號可以回流的平行地線數目大幅度地增加,從而使地線電感對任何信號都保持最小。這種地線結構特別適用于數字電路,如圖3-58所示。在進行線路板布線時,應首先將地線網格布好,然后再進行信號線和電源線的布線。當進行雙面板布線時,如果過孔的阻抗可以忽略,可以在線路板的一面走橫線,另一面走豎線。高速信號線盡量靠近地線,以減小環路面積。
除了直流電源的地線要通過較大的電流,需要有一定的寬度外,地線網格中的其他導線并不需要很寬,即使只有一根很窄的導線,也比沒有強。
地線網格的間距也不能太大,因為地線的一個主要作用是提供信號回流路徑,若地線網格的間距過大,會形成較大的信號環路面積。大環路面積會引起輻射和敏感度問題,另外,信號回流實際走環路面積小的路徑,其他地線并不起作用。
地線網格并不適合低頻小信號模擬電路,因為這時要避免公共阻抗耦合。當電路的工作頻帶很窄時,地線上的高頻干擾并不是主要問題。為了降低對靜電放電(ESD)的敏感性,一個低阻抗的地絨網格是很重要的,但是必須與主參考地結構連接起來,這種連接可以是間接的(通過電容器),也可以是直接的。在高速數字電路中,有一種地線方式是必須避免的,這就是“梳狀”地線,如圖3-59所示。這種地線結構會使信號回流電流的環路很大,會增加輻射和敏感度,并且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的誤操作。在梳齒之間加上橫線,就很容易地將梳狀地線結構變為地線網格了。
(2)地線面
地線網格的極端形式是平行的導線無限多,構成了一個連續的導體平面,這個平面稱為地線面。這在多層板中很容易實現,它能提供最小的電感。這種結構特別適合于射頻電路和高速數字電路。通常的4層板中還專門設置一個電源面,它能夠在高頻時提供一個低的“源一地”阻抗。
值得注意的是,從EMC的角度看,地線面的主要作用是減小地線阻抗,從而減少地線干擾。地線面和電源面的屏蔽作用是很小的,特別是當器件安裝在線路板表面時,幾乎沒有屏蔽作用,將地線面和電源面布置在外層幾乎沒有什么好處,特別是考慮調試、維修和修改等因素時。
在雙層板上也可以使用地線面,這決不是簡單地將沒有用到的面積布銅箔然后連接到地線上,因為地線面的目的是提供一個低阻抗的地線,因此它必須位于需要這種低阻抗地線的信號線的下面(或上面)。在高頻,回流信號并不一定走幾何上最短的路徑,而會走最靠近信號線的路徑。這是因為這種路徑與信號線之間的環路面積最小,具有最小電感和最小阻抗,所以地線面能夠保證回流電流總是取最佳路徑。
(3)環路面積
地線面的一個主要好處是能夠使輻射的環路最小。這保證了PCB的最小差模輻射和對外界干擾的敏感度。當不使用地線面時,為了達到同樣的效果,必須在高頻電路或敏感電路的鄰近設置一根地線。
表面安裝技術能夠有效地減小信號環路面積。但為了充分發揮表面安裝技術的優點,應使用專門有一層地線面的多層板布線。在雙層板上使用表面安裝技術僅能獲得有限酌改進,因為在雙層板中,使用表面安裝技術僅僅將整個板的尺寸減少了,也就是將布線減少了。而在多層板中,信號環路面積明顯減少。
(4)地線布線規則
由于對所有的信號線都實現最佳地線布線是不可能的,在設計時應重點考慮最重要的部分。從EMI的角度考慮,最重要的信號是高電流變化率(d//dt)信號,如時鐘線、數據線和大功率方波振蕩器等。從敏感度的角度考慮,最重要的信號是前后沿觸發輸入電路、時鐘系統、小信號模擬放大器等。一旦將這些重要信號分離出來,就可以把設計的重點放在這些電路上