PCB 地平面奧秘及耦合的探究

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

函數(shù)發(fā)生器（Function generator）：用于產(chǎn)生一個 5V 的 50MHz 正弦波信號。

示波器（Scope）：用于測量和顯示信號。

實(shí)驗(yàn)步驟：

將函數(shù)發(fā)生器的輸出連接到一根導(dǎo)線的一端。

將示波器的探頭連接到另一條導(dǎo)線的另一端，用于測量信號。

在進(jìn)行有地平面的測試時，移除了示波器探頭的標(biāo)準(zhǔn)地線（ground lead），并使用一根短于2厘米的導(dǎo)線，將探頭的地環(huán)（ground ring）連接到地平面上。

在沒有地平面的測試中，直接將示波器的地夾（ground clip）夾到函數(shù)發(fā)生器的地線上。

示波器探頭對地的電容大約是10皮法（pF），大約是74HC邏輯門輸入電容的兩倍。這些測量值的精度大約是5%，毫伏級別的電壓變化可能是由于測量誤差造成的，不必過于關(guān)注。 以下為測量結(jié)果：

地平面對電容耦合的影響：

即使在最糟糕的布局中，接地平面也能將電容耦合降低 2 倍以上。這意味著地平面提供了一個低電感和低電阻的電流返回路徑，并且能夠減少不同走線之間的串?dāng)_和耦合。

通常建議在電源、數(shù)字和模擬部分之間分割地平面，但這樣做實(shí)際上增加了耦合。

在雙面接地的情況下，走線只有在兩側(cè)都有縫合孔的情況下耦合才會有所改善；如果在兩個走線之間放置一個接地的屏蔽走線，效果會更好（比沒有地平面好16倍以上）。

地平面下的短走線的影響：

在遠(yuǎn)小于波長的尺度上，地平面下的短走線影響相對較小。

我測量了從一個交叉走線耦合到主走線的信號為153毫伏，這個值并不小，但并不像平行走線那樣糟糕。

地平面上走線的對地電容：

地平面上的走線對地有顯著的電容，對于1毫米寬的走線大約是每厘米0.7皮法。這可能會給高阻抗信號帶來麻煩，即使是相對較短的走線。

隨著板層數(shù)的增加，這種電容會變得更糟，尤其是當(dāng)習(xí)慣于將地/電源平面放置在板的中間層時。

驅(qū)動阻抗對電容耦合的影響：

驅(qū)動阻抗對于電容耦合非常重要。當(dāng)受影響的走線通過 100Ω電阻驅(qū)動而不是開路時，耦合信號降低到原始電壓的約1/4。

電感耦合

對于電感耦合，我也使用了 50 MHz 正弦波，但將導(dǎo)線的另一端接地。我還添加了一個 10 歐姆的電流檢測電阻（10mV = 1mA）來測量電流。

同樣，這些測量值的精確度僅為 5%左右，因此無需在意單毫伏的差異。

這里的結(jié)果與電容耦合的結(jié)果類似，并不與電容耦合的結(jié)論相悖。雖然與電容耦合相比，電感耦合看起來微不足道，但它會對驅(qū)動阻抗很低（如測試中使用的 0 歐姆短路）的線路產(chǎn)生影響，而且這里使用的電流僅為毫安，而不是驅(qū)動 MOSFET 柵極等常用的幾安培電流。

耦合到底重要嗎？

雖然50 MHz的頻率看似很高，但數(shù)字信號中的耦合現(xiàn)象很容易發(fā)生。即使方波的頻率只有幾千赫茲，根據(jù)上升時間的不同，諧波也可能高達(dá)數(shù)百兆赫茲。由于低阻抗輸出和邏輯電平之間的較大差距，數(shù)字線路本身具有相當(dāng)強(qiáng)的抗干擾能力。 然而，大多數(shù)項(xiàng)目都會在某些時候處理模擬信號，而這些信號很容易受到快速切換的數(shù)字線路的干擾。最簡單的解決方法是將數(shù)字部分和敏感的模擬部分物理隔離，并避免它們之間的平行走線。使用去耦電容、磁珠和地平面保持電源清潔也非常重要。高阻抗線路很容易出現(xiàn)問題，因此盡可能避免高阻抗線路，并保持他們的長度盡可能的短是理想的選擇。最后的辦法是在地平面上使用帶縫合孔的屏蔽線。 如果耦合不可避免，另一種方法是降低數(shù)字信號的速度，例如在輸出端放置一個 5 千歐電阻。這不會對低速信號產(chǎn)生影響，但可以減緩有問題的信號邊緣。 另一種情況是電流的返回路徑不是地平面，這種情況下地平面的效果會大打折扣。在這種情況下，在PCB上布線時要讓信號走線和返回路徑盡可能靠近，并保持整體長度盡可能短。

參考文獻(xiàn)： https://10maurycy10.github.io/projects/testing_groundplanes/ 本文遵循 Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

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審核編輯 黃宇