在廣泛使用網(wǎng)絡這一概念的低速電路中,“地”同樣大行其道,“地”本身就是一個網(wǎng)絡。在低速電路中,之所以不用考慮信號的返回路徑,就是認為所有的電流都將匯合到“地″這個無窮大的容器,同時認為“地”就是一個等勢體,因此也不關心其中的電流流動。這是一個錯誤的觀點。高頻時,信號路徑和返回路徑的回路電感要最小化,那么,返回電流是緊靠信號電流的,只要附近導體允許,返回路徑會盡量靠近信號路徑分布。如果周圍沒有導體可以提供返回路徑,那么自由空間就成為返回路徑,這就帶來了EMC問題。
如圖1所示,平行雙導線傳輸線的兩根導體中一根是信號路徑,另一根就是返回路徑,兩者沒有嚴格區(qū)分;同軸電纜的內導體就是信號路徑,外導體就是返回路徑;共面帶狀線的一條導線是信號路徑,另一條就是返回路徑;共面波導的中間導體是信號路徑,兩邊金屬平面是返回路徑;微帶線和帶狀線的窄導體是信號路徑,導體附近的金屬平面就是返回路徑。讀者可以憑經(jīng)驗感受一下`將同軸電纜的外導體開一個槽,會對高速信號傳輸帶來什么樣的影響。所以,在設計高速電路的過程中,要丟掉“地”這個概念,像對待信號路徑一樣對待返回路徑。
圖1 各種傳輸線橫截面
在高速PCB上,無法用到平行雙導線和同軸電纜。在設計低速電路時,布完線經(jīng)常要進行“包地”這個操作,“包地”形成的傳輸線就是共面波導。在第3章講過,當兩條走線靠得很近時會形成串擾,也就是說,—條走線A將另一條走線B作為返回路徑,形成共面帶狀線,這是不希望看到的,因為走線B并不是故意設計來作為返回路徑的。避免這種串擾最基本的措施是,用一個“大的金屬平面”盡量去靠近走線,相比另外一條窄走線B,這個“大的金屬平面”是一個更好的返回路徑,這就形成了PCB上的微帶線和帶狀線。而這個“大的金屬平面”就是鏡像層,也稱“參考平面”,在PCB上通常將其分配給電源和地。
可靠的返回路徑應該和信號路徑平行且靠近。只有這樣,信號路徑和返回路徑產(chǎn)生的磁力線才會最大程度地相互抵消,因為兩者方向相反,這就是磁通最小化原理,如圖2所示,圖2(a)所示的回路面積比圖2(b)所示的小?;芈樊a(chǎn)生的磁通量也比較小。它向周圍產(chǎn)生的輻射較少。在周圍其他信號線上產(chǎn)生的串擾也較少。最壞的設計就是返回路徑出現(xiàn)斷裂,甚至根本沒有為信號路徑提供返回路徑;而最好也是最簡單的設計就是上面提到的采用參考平面(鏡像層)。當然還有一些其他方法來實現(xiàn)磁通最小化,如:
圖2 回路磁通
· 保證多層板有正確的疊層設置和阻抗控制;
· 對于多層板,將高速走線布置在接地平面或接地柵格附近,單面板和雙面板配置接
地走線或包地;
· 將元件封裝內部所產(chǎn)生的磁通捕捉到0V參考系統(tǒng)中,以減少元件的內部輻射;
· 降低電源分配系統(tǒng)(PDS)中的噪聲電壓;
· 能夠使用低速器件,就盡量不要使用高速器件;
· 選用射頻驅動電壓較低的器件以降低走線中的射頻電流;
· 當有外部I/O電纜連接時,正確使用旁路電容;
· 在選定的網(wǎng)絡中用數(shù)據(jù)線過濾器和共模扼流圈:
· 為那些會輻射大量共模射頻能量的組件提供一個接地的散熱器
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