接地层使用指南

2020年2月29日08:15:00 评论

接地层的使用与星型接地系统相关。为了实施接地层,双面PCB(或多层PCB的一层)的一面由连续铜制造,而且用作地。其理论基础是大量金属具有可能最低的电阻。由于使用大型扁平导体,它也具有可能最低的电感。因而,它提供了最佳导电性能,包括最大程度地降低导电平面之间的杂散接地差异电压。

接地层

接地层概念还可以延伸,包括电压层。电压层提供类似于接地层的优势—极低阻抗的导体—但只用于一个(或多个)系统电源电压。因此,系统可能具有多个电压层以及接地层。虽然接地层可以解决很多地阻抗问题,但它们并非灵丹妙药。即使是一片连续的铜箔,也会有残留电阻和电感;在特定情况下,这些就足以妨碍电路正常工作。设计人员应该注意不要在接地层注入很高电流,因为这样可能产生压降,从而干扰敏感电路。

保持低阻抗大面积接地层对目前所有模拟电路都很重要。接地层不仅用作去耦高频电流(源于快速数字逻辑)的低阻抗返回路径,还能将EMI/RFI辐射降至最低。由于接地层的屏蔽作用,电路受外部EMI/RFI的影响也会降低。

接地层还允许使用传输线路技术(微带线或带状线)传输高速数字或模拟信号,此类技术需要可控阻抗。

由于“总线(bus wire)”在大多数逻辑转换等效频率下具有阻抗,将其用作“地”完全不能接受。例如,#22标准导线具有约20nH/in的电感。由逻辑信号产生的压摆率为10mA/ns的瞬态电流,流经1英寸该导线时将形成200mV的无用压降:

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对于具有2V峰峰值范围的信号,此压降会转化为大约200mV或10%的误差(大约“3.5位精度”)。即使在全数字电路中,该误差也会大幅降低逻辑噪声裕量。

图1显示数字返回电流调制模拟返回电流的情况(顶图)。接地返回导线电感和电阻由模拟和数字电路共享,这会造成相互影响,最终产生误差。

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图1.流入模拟返回路径的数字电流产生误差电压

一个可能的解决方案是让数字返回电流路径直接流向GND REF,如底图所示。这显示了“星型”或单点接地系统的基本概念。在包含多个高频返回路径的系统中很难实现真正的单点接地。因为各返回电流导线的物理长度将引入寄生电阻和电感,所以获得低阻抗高频接地就很困难。实际操作中,电流回路必须由大面积接地层组成,以便获取高频电流下的低阻抗。如果无低阻抗接地层,则几乎不可能避免上述共享阻抗,特别是在高频下。

所有集成电路接地引脚应直接焊接到低阻抗接地层,从而将串联电感和电阻降至最低。对于高速器件,不推荐使用传统IC插槽。即使是“小尺寸”插槽,额外电感和电容也可能引入无用的共享路径,从而破坏器件性能。如果插槽必须配合DIP封装使用,例如在制作原型时,个别“引脚插槽”或“笼式插座”是可以接受的。以上引脚插槽提供封盖和无封盖两种版本。由于使用弹簧加载金触点,确保了IC引脚具有良好的电气和机械连接。不过,反复插拔可能降低其性能。

应使用低电感、表面贴装陶瓷电容,将电源引脚直接去耦至接地层。如果必须使用通孔式陶瓷电容,则它们的引脚长度应该小于1mm。陶瓷电容应尽量靠近IC电源引脚。噪声过滤还可能需要铁氧体磁珠。

可以说“地”越多越好吗?

接地层能解决许多地阻抗问题,但并不能全部解决。即使是一片连续的铜箔,也会有残留电阻和电感;在特定情况下,这些就足以妨碍电路正常工作。图2说明了这个问题,并给出了解决方法。

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图2.割裂接地层可以改变电流流向,从而提高精度

由于实际机械设计的原因,电源输入连接器在电路板的一端,而需要靠近散热器的电源输出部分则在另一端。电路板具有100mm宽的接地层,还有电流为15A的功率放大器。如果接 地层厚0.038mm,15A的电流流过时会产生68μV/mm的压降。对于任何共用该PCB且以地为参考的精密模拟电路,这种压降都会引起严重问题。可以割裂接地层,让大电流不流入精密电路区域,而迫使它环绕割裂位置流动。这样可以防止接地问题(在这种情况下确实存在),不过该电流流过的接地层部分中电压梯度会提高。

在多个接地层系统中,请务必避免覆盖接地层,特别是模拟层和数字层。该问题将导致从一个层(可能是数字地)到另一个层的容性耦合。要记住,电容是由两个导体(两个接地层)组成的,中间用绝缘体(PC板材料)隔离。

小心接地层割裂

如果导线下方的接地层上有割裂,接地层返回电流必须环绕裂缝流动。这会导致电路电感增加,而且电路也更容易受到外部场的影响。图3显示了这一情况,其中的导线A和导线B必须相互穿过。

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图3.接地层割裂导致电路电感增加,而且电路也更容易受到外部场的影响

当割裂是为了使两根垂直导线交叉时,如果通过飞线将第二根信号线跨接在第一根信号线和接地层上方,则效果更佳。此时,接地层用作两个信号线之间的天然屏蔽体,而由于集肤效应,两路地返回电流会在接地层的上下表面各自流动,互不干扰。

多层板能够同时支持信号线交叉和连续接地层,而无需考虑线链路问题。虽然多层板价格较高,而且不如简单的双面电路板调试方便,但是屏蔽效果更好,信号路由更佳。相关原理仍然保持不变,但布局布线选项更多。

对于高性能混合信号电路而言,使用至少具有一个连续接地层的双面或多层PCB无疑是最成功的设计方法之一。通常,此类接地层的阻抗足够低,允许系统的模拟和数字部分共用一个接地层。但是,这一点能否实现,要取决于系统中的分辨率和带宽要求以及数字噪声量。

其他例子也可以说明这一点。高频电流反馈型放大器对其反相输入周围的电容非常敏感。接地层旁的输入走线可能具有能够导致问题的那一类电容。要记住,电容是由两个导体(走线和接地层)组成的,中间用绝缘体(板和可能的阻焊膜)隔离。在这一方面,接地层应与输入引脚分隔开,如图4所示,它是AD8001高速电流反馈型放大器的评估板。小电容对电流反馈型放大器的影响如图5所示。请注意输出上的响铃振荡。

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图4 AD8001高速电流反馈型放大器的评估板
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图5 小电容对电流反馈型放大器的影响

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