高頻信號接地探討

一、前言

接地無(wú)疑是系統設計中最為棘手的問(wèn)題之一。盡管它的概念相對比較簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)卻很復雜，遺憾的是，它沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)明扼要可以用詳細步驟描述的方法來(lái)保證取得良好效果，但如果在某些細節上處理不當，可能會(huì )導致令人頭痛的問(wèn)題，特別是隨著(zhù)電子產(chǎn)品的傳輸速度越來(lái)越大，接地問(wèn)題也是日益突出。

二、高頻工作的接地

圖1所示的簡(jiǎn)單電路采用兩層印刷電路板制造，頂層上有一個(gè)交直流電流源，其一端連到過(guò)孔1，另一端通過(guò)一條U形銅走線(xiàn)連到過(guò)孔2。兩個(gè)過(guò)孔均穿過(guò)電路板并連到接地層。理想情況下，頂端連接器以及過(guò)孔1和過(guò)孔2之間的接地回路中的阻抗為零，電流源上的電壓為零。

圖1.電流源的原理圖和布局，PCB上布設U形走線(xiàn)，通過(guò)接地層返回

這個(gè)簡(jiǎn)單原理圖很難顯示出內在的微妙之處，但了解電流如何在接地層中從過(guò)孔1流到過(guò)孔2，將有助于我們看清實(shí)際問(wèn)題所在，并找到消除高頻布局接地噪聲的方法。

圖2.圖1所示PCB的直流電流的流動(dòng)

圖2所示的直流電流的流動(dòng)方式，選取了接地層中從過(guò)孔1至過(guò)孔2的電阻最小的路徑。雖然會(huì )發(fā)生一些電流擴散，但基本上不會(huì )有電流實(shí)質(zhì)性偏離這條路徑。相反，交流電流則選取阻抗最小的路徑，而這要取決于電感。

圖3.磁力線(xiàn)和感性環(huán)路（右手法則）

電感與電流環(huán)路的面積成比例，二者之間的關(guān)系可以用圖3所示的右手法則和磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)明。環(huán)路之內，沿著(zhù)環(huán)路所有部分流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互增強。環(huán)路之外，不同部分所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互削弱。因此，磁場(chǎng)原則上被限制在環(huán)路以?xún)?。環(huán)路越大則電感越大，這意味著(zhù)：對于給定的電流水平，它儲存的磁能(Li2)更多，阻抗更高(XL = jωL)，因而將在給定頻率產(chǎn)生更大電壓。

圖4.接地層中不含電阻（左圖）和含電阻（右圖）的交流電流路徑

電流將在接地層中選取哪一條路徑呢？自然是阻抗最.低的路徑?？紤]U形表面引線(xiàn)和接地層所形成的環(huán)路，并忽略電阻，則高頻交流電流將沿著(zhù)阻抗最.低，即所圍面積最小的路徑流動(dòng)。

在圖中所示的例子中，面積最小的環(huán)路顯然是由U形頂部走線(xiàn)與其正下方的接地層部分所形成的環(huán)路。圖2顯示了直流電流路徑，圖4則顯示了大多數交流電流在接地層中選取的路徑，它所圍成的面積最小，位于U形頂部走線(xiàn)正下方。實(shí)際應用中，接地層電阻會(huì )導致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導線(xiàn)正下方之間的某處。不過(guò)，即使頻率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線(xiàn)的下方。