接地層

 

接地層概念還可以延伸，包括電壓層。電壓層提供類似于接地層的優(yōu)勢(shì)—極低阻抗的導(dǎo)體—但只用于一個(gè)（或多個(gè)）系統(tǒng)電源電壓。因此，系統(tǒng)可能具有多個(gè)電壓層以及接地層。雖然接地層可以解決很多地阻抗問題，但它們并非靈丹妙藥。即使是一片連續(xù)的銅箔，也會(huì)有殘留電阻和電感；在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注意不要在接地層注入很高電流，因?yàn)檫@樣可能產(chǎn)生壓降，從而干擾敏感電路。

 

保持低阻抗大面積接地層對(duì)目前所有模擬電路都很重要。接地層不僅用作去耦高頻電流（源于快速數(shù)字邏輯）的低阻抗返回路徑，還能將EMI/RFI輻射降至最低。由于接地層的屏蔽作用，電路受外部EMI/RFI的影響也會(huì)降低。

 

接地層還允許使用傳輸線路技術(shù)（微帶線或帶狀線）傳輸高速數(shù)字或模擬信號(hào)，此類技術(shù)需要可控阻抗。

 

由于“總線(bus wire)”在大多數(shù)邏輯轉(zhuǎn)換等效頻率下具有阻抗，將其用作“地”完全不能接受。例如，#22標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線具有約20nH/in的電感。由邏輯信號(hào)產(chǎn)生的壓擺率為10mA/ns的瞬態(tài)電流，流經(jīng)1英寸該導(dǎo)線時(shí)將形成200mV的無用壓降：

 

 

對(duì)于具有2V峰峰值范圍的信號(hào)，此壓降會(huì)轉(zhuǎn)化為大約200mV或10%的誤差（大約“3.5位精度”）。即使在全數(shù)字電路中，該誤差也會(huì)大幅降低邏輯噪聲裕量。

 

圖1顯示數(shù)字返回電流調(diào)制模擬返回電流的情況（頂圖）。接地返回導(dǎo)線電感和電阻由模擬和數(shù)字電路共享，這會(huì)造成相互影響，最終產(chǎn)生誤差。

 

圖1.流入模擬返回路徑的數(shù)字電流產(chǎn)生誤差電壓

 

一個(gè)可能的解決方案是讓數(shù)字返回電流路徑直接流向GND REF，如底圖所示。這顯示了“星型”或單點(diǎn)接地系統(tǒng)的基本概念。在包含多個(gè)高頻返回路徑的系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)真正的單點(diǎn)接地。因?yàn)楦鞣祷仉娏鲗?dǎo)線的物理長(zhǎng)度將引入寄生電阻和電感，所以獲得低阻抗高頻接地就很困難。實(shí)際操作中，電流回路必須由大面積接地層組成，以便獲取高頻電流下的低阻抗。如果無低阻抗接地層，則幾乎不可能避免上述共享阻抗，特別是在高頻下。

 

所有集成電路接地引腳應(yīng)直接焊接到低阻抗接地層，從而將串聯(lián)電感和電阻降至最低。對(duì)于高速器件，不推薦使用傳統(tǒng)IC插槽。即使是“小尺寸”插槽，額外電感和電容也可能引入無用的共享路徑，從而破壞器件性能。如果插槽必須配合DIP 封裝使用，例如在制作原型時(shí)，個(gè)別“引腳插槽”或“籠式插座”是可以接受的。以上引腳插槽提供封蓋和無封蓋兩種版本。由于使用彈簧加載金觸點(diǎn)，確保了 IC引腳具有良好的電氣和機(jī)械連接。不過，反復(fù)插拔可能降低其性能。

 

應(yīng)使用低電感、表面貼裝陶瓷電容，將電源引腳直接去耦至接地層。如果必須使用通孔式陶瓷電容，則它們的引腳長(zhǎng)度應(yīng)該小于1 mm。陶瓷電容應(yīng)盡量靠近IC 電源引腳。噪聲過濾還可能需要鐵氧體磁珠。

 

可以說“地”越多越好嗎？

 

接地層能解決許多地阻抗問題，但并不能全部解決。即使是一片連續(xù)的銅箔，也會(huì)有殘留電阻和電感；在特定情況下，這些就足以妨礙電路正常工作。圖2說明了這個(gè)問題，并給出了解決方法。

 

圖 2.割裂接地層可以改變電流流向，從而提高精度

 

由于實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)的原因，電源輸入連接器在電路板的一端，而需要靠近散熱器的電源輸出部分則在另一端。電路板具有 100 mm 寬的接地層，還有電流為 15 A 的功率放大器。如果接 地層厚0.038 mm，15 A 的電流流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生 68 μV/mm 的壓降。對(duì)于任何共用該P(yáng)CB且以地為參考的精密模擬電路，這種壓降都會(huì)引起嚴(yán)重問題。可以割裂接地層，讓大電流不流入精密電路區(qū)域，而迫使它環(huán)繞割裂位置流動(dòng)。這樣可以防止接地問題（在這種情況下確實(shí)存在），不過該電流流過的接地層部分中電壓梯度會(huì)提高。

 

在多個(gè)接地層系統(tǒng)中，請(qǐng)務(wù)必避免覆蓋接地層，特別是模擬層和數(shù)字層。該問題將導(dǎo)致從一個(gè)層（可能是數(shù)字地）到另一個(gè)層的容性耦合。要記住，電容是由兩個(gè)導(dǎo)體（兩個(gè)接地層）組成的，中間用絕緣體（PC板材料）隔離。

 

小心接地層割裂

 

如果導(dǎo)線下方的接地層上有割裂，接地層返回電流必須環(huán)繞裂縫流動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致電路電感增加，而且電路也更容易受到外部場(chǎng)的影響。圖3顯示了這一情況，其中的導(dǎo)線 A 和導(dǎo)線 B 必須相互穿過。

 

圖 3.接地層割裂導(dǎo)致電路電感增加，而且電路也更容易受到外部場(chǎng)的影響

 

當(dāng)割裂是為了使兩根垂直導(dǎo)線交叉時(shí)，如果通過飛線將第二根信號(hào)線跨接在第一根信號(hào)線和接地層上方，則效果更佳。此時(shí)，接地層用作兩個(gè)信號(hào)線之間的天然屏蔽體，而由于集膚效應(yīng)，兩路地返回電流會(huì)在接地層的上下表面各自流動(dòng)，互不干擾。

 

多層板能夠同時(shí)支持信號(hào)線交叉和連續(xù)接地層，而無需考慮線鏈路問題。雖然多層板價(jià)格較高，而且不如簡(jiǎn)單的雙面電路板調(diào)試方便，但是屏蔽效果更好，信號(hào)路由更佳。相關(guān)原理仍然保持不變，但布局布線選項(xiàng)更多。

 

對(duì)于高性能混合信號(hào)電路而言，使用至少具有一個(gè)連續(xù)接地層的雙面或多層PCB無疑是最成功的設(shè)計(jì)方法之一。通常，此類接地層的阻抗足夠低，允許系統(tǒng)的模擬和數(shù)字部分共用一個(gè)接地層。但是，這一點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)，要取決于系統(tǒng)中的分辨率和帶寬要求以及數(shù)字噪聲量。

 

其他例子也可以說明這一點(diǎn)。高頻電流反饋型放大器對(duì)其反相輸入周圍的電容非常敏感。接地層旁的輸入走線可能具有能夠?qū)е聠栴}的那一類電容。要記住，電容是由兩個(gè)導(dǎo)體（走線和接地層）組成的，中間用絕緣體（板和可能的阻焊膜）隔離。在這一方面，接地層應(yīng)與輸入引腳分隔開，如圖4所示，它是AD8001高速電流反饋型放大器的評(píng)估板。小電容對(duì)電流反饋型放大器的影響如圖5所示。請(qǐng)注意輸出上的響鈴振蕩。

 

圖 4.AD8001AR評(píng)估板—俯視圖(a)和仰視圖(b)

 

圖5. 10pF反相輸入雜散電容對(duì)放大器(AD8001)脈沖響應(yīng)的影響

 

來源：亞德諾半導(dǎo)體

 

 

推薦閱讀：