談談高速PCB設計中的打孔包地與串擾

工程界常常使用保護地線進行隔離，來抑制信號間的相互干擾。的確，保護地線有時能夠提高信號間的隔離度，但是保護地線并不是總是有效的，有時甚至反而會使干擾更加惡化。使用保護地線必須根據(jù)實際情況仔細分析，并認真處理。

保護地線是指在兩個信號線之間插入一根網(wǎng)絡為GND的走線，用于將兩個信號隔離開，地線兩端打GND過孔和GND平面相連，如圖所示。有時敏感信號的兩側(cè)都放置保護地線。

要想加入保護地線，首先必須把兩個信號線的間距拉開到足以容納一根保護地線的空間，由于拉開了信號線的間距，即使不插入保護地線，也會減小串擾。插入保護地線會有多大的作用？

低頻模擬信號包地

我們來看表層微帶線情況下串擾的大小。假設走線是50Ω阻抗控制的，線寬為6mil，介質(zhì)厚度為3.6mil，介電常數(shù)為4.5。并假設兩路信號都是載波頻率為30Mhz，帶寬為2Mhz的模擬信號。

下圖顯示了三種情況下的遠端串擾情況。當線間距為6mil時，由于兩條線緊密耦合，遠端串擾較大。把間距增加到18mil，遠端串擾明顯減小。進一步，在兩條線之間加入保護地線，地線兩端使用過孔連接到地面，遠端串擾進一步減小。

對于低頻模擬信號之間的隔離，保護地線的確很有用。這也是很多低頻板上經(jīng)常見到的“包地”的原因。但是，如果需要隔離的數(shù)字信號，情況會有所不同。我們分表層微帶線和內(nèi)層帶狀線兩種情況來討論保護地線對數(shù)字信號的隔離效果。以下討論我沒假定PCB走線都是50Ω阻抗控制的。

表層走線

仍然使用上面的表層走線疊層結(jié)構(gòu)，線寬為6mil，介質(zhì)厚度為3.6mil，介電常數(shù)為4.5。攻擊信號為上升時間Tr=200ps的階躍波形?？紤]以下三種情況下的近端串擾和遠端串擾的情況，如下圖所示，其中耦合段長度為2000mil。

Case1：兩條走線間距gap=1w（w=6mil表示線寬）；

Case2：兩條走線間距gap=3w，僅僅拉大道能夠放下一條保護線的間距，但不適用保護線；

Case3：兩條線間距gap=3w，中間使用保護地線，并在兩端打GND過孔。

下圖顯示了三種情況下串擾波形，無論是近端串擾還是遠端串擾，走線間距從1w增加到3w時，串擾都明顯減小。在此基礎上，走線間插入保護地線，串擾如下圖中Case 3所示，相比Case 2，插入保護地線，不但沒有起到進一步減小串擾的作用，反而增大了串擾噪聲。

這個例子表明，拉開走線間距是最有效的減小串擾的方法。保護地線如果使用不當，可能反而會惡化串擾。因此，在使用保護地線時，需要根據(jù)實際情況仔細分析。保護地線要想起到應有的隔離作用，需要再地線上添加很多GND過孔，過孔間距應小于1/10λ，如圖所示。λ為信號中最高頻率成分對應的波長。

內(nèi)層走線

對于內(nèi)層走線，如下圖所示：

介電常數(shù)為4.5，阻抗為50Ω?？紤]到下圖三種情況。攻擊信號為上升時間Tr=200ps的階躍波形，入射信號幅度500mv，耦合長度為2000mil，近端串擾如圖所示，加入了保護地線，近端串擾從3.44mV進一步減小到了0.5mV。信號隔離度提高了16B。對于內(nèi)層走線，加入保護地線能夠獲得更大的隔離度。

對于表層走線來說，使用密集型的GND過孔，對提升隔離效果是有好處的。但是，對于內(nèi)層走線來說，使用密集型的GND過孔幾乎得不到額外的好處，下圖對比了GND過孔間距為2000mil（保護地線兩端打GND過孔）和GND過孔間距為400mil時的近端串擾情況，串擾量幾乎沒有變化。

間距增加到5w時情況如何？

當走線間距進一步加大，保護地線仍保持在6mil的線寬時，對于表層走線來說，保護地線的作用減小。在下圖中，兩條線間距拉到5w時，兩種情況下近端串擾和遠端串擾量和不使用保護地線情況相當，沒有明顯改善。因此，對于表層走線來說，走線間距很大時，中間再加入保護地線，幾乎沒有什么效果，如果處理不好反而會使串擾惡化。

對于內(nèi)層走線來說，保護地線仍然會起很大作用。如下圖，內(nèi)層間距為5W，兩種情況下近端串擾噪聲波形如圖。中間加入了保護地線，能明顯改善近端串擾。

結(jié)論

1）保護地線對低頻模擬信號的隔離通常都是有效的。但是在數(shù)字信號之間的保護走線并不是那么有用，有時反而會使情況更惡化。

2）對于表層走線，如果保護地線的GDN孔間距很大，可能會使串擾更加嚴重，必須使用非常密集的GND孔才能起到隔離的效果。

3）對于內(nèi)層走線，保護地線可以減小近端串擾。

來源：CSDN，作者：硬件工程師煉成之路