電源，地平面的分割技巧
1 引言
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在印刷電路板上是沒(méi)有"真正"的地的，而通常所說(shuō)的"地"一般都指的是回流路徑或參考平面。對于實(shí)際的PCB來(lái)說(shuō)，最好的"地"應該是一個(gè)完整的、公共的 地平面。這種"簡(jiǎn)單"的地可以減小PCB上走線(xiàn)之間的串擾，減少電磁干擾。但是當電路上出現ADC／DAC時(shí)，地平面就變得很復雜了。模擬器件需要接到模 擬地"A G N D"，而數字器件需要接到數字地"DGND"。隨著(zhù)數?；旌想娐返拇罅窟\用以及集成度的提高，越來(lái)越多的問(wèn)題擺在了我們面前，例如：什么情況下需要分割地 平面，對于分割的地平面是否需要橋接等等。
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2 不完整的地平面www.eda365.com8 ]7 Z4 P5 j" |. r" ]! m
" w: l5 D r* H* kwww.eda365.com地平面分 割通常出現在數?；旌系腜CB上。不管是地平面還是電源平面，對于回流信號都是一樣的，它們都作為一個(gè)參考平面為回流信號提供一個(gè)返回路徑。在高頻時(shí)，由 于趨膚效應，返回電流總是貼著(zhù)信號走線(xiàn)下方流動(dòng)。但是當參考平面上出現溝槽時(shí)，返回電流就會(huì )繞過(guò)這個(gè)槽。圖1所示即為帶有溝槽的不完整地平面對回流路徑的 影響。這個(gè)繞行的回流增加了整個(gè)回路的電感，增加的電感可由下式計算得出：EDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇- t# G- I9 C- s1 v
L=5Dln(D／W) (1)
. e, R* Y: D1 U/ OEDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇式(1)中：L為電感，單位為nH；D為溝槽長(cháng)度，單位為in；W為線(xiàn)寬，單位為in。這個(gè)電感會(huì )使電路的上升時(shí)間增加，并加劇線(xiàn)路之間的串擾，同時(shí)使該電路Q(chēng) 值增大，從而有可能發(fā)生諧振。
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PCB 上一個(gè)閉合路徑可以等效成為一個(gè)電流環(huán)天線(xiàn)，繞行的回流增加了環(huán)路的面積，使回路的輻射增大。圖2所示為一條微帶線(xiàn)分別具有完整參考平面和不完整參考平面 時(shí)的近場(chǎng)輻射測試圖，頻率范圍是20 MHz～1 000MHz。從圖2中可以看出當微帶線(xiàn)跨越分割以后，其輻射增加了20dB左右。
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3 參考層的分割; i! v Z: I( I7 J* [ y4 {
, r2 ?* Y( F/ a‘ r/ o" T) eEDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇既 然不完整的參考層平面會(huì )帶來(lái)如此多的問(wèn)題，那么為什么還要對參考層進(jìn)行分割呢。分割的參考層一般出現在數?；旌喜及宓那闆r下。數字電路對噪聲的敏感度大大 低于模擬電路。一般情況下數字電路的敏感度在十幾個(gè)毫伏左右，而模擬電路的敏感度為微伏級別，兩者差別達到了10 000倍(即噪聲隔離度為80dB)。如果模擬與數字電路共用同一個(gè)參考平面，數字電路的開(kāi)關(guān)噪聲就很容易對模擬電路造成共阻抗干擾。例如當AD轉換器的 數字輸出為低電平時(shí)，容性的負載或者數字輸出引腳的寄生電容就會(huì )通過(guò)：DGND放電，這時(shí)就會(huì )有一個(gè)高速的大電流通過(guò)DGND引腳。
( P! x m4 u/ w5 O2 M& VEDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇這 個(gè)電流會(huì )在DGND的寄生電感上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的電壓，使得參考平面的電位出現波動(dòng)，這個(gè)電壓也被稱(chēng)作同步開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)。芯片的設計者和PCB工程師 都意識到這個(gè)噪聲對模擬電路的影響，AGND引腳以及單獨的參考平面能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。但是如上所述，不完整的地平面會(huì )帶來(lái)很多其他問(wèn)題。如何解決數 ／模噪聲隔離和不完整地平面帶來(lái)的問(wèn)題成為了數?；旌喜及宓年P(guān)鍵。
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通常，PCB T程師都把數字地平面作為一個(gè)完整的平面來(lái)考慮。而把數字地作為一個(gè)平面來(lái)考慮不宜于理解數字電路產(chǎn)生的共模噪聲是如何影響模擬電路的。為了更好地解決共 模噪聲的問(wèn)題，假設地平面為一個(gè)框，用這個(gè)框來(lái)代替一個(gè)完整的平面，如圖3所示。電流從這個(gè)框的上部和下部分別返回到電流源。
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如 果這個(gè)框通過(guò)兩點(diǎn)連接到另一個(gè)區域，由于框的阻抗不為0，在這兩個(gè)點(diǎn)之間就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓。盡管這個(gè)電壓很小，但還是會(huì )迫使電流流入另一個(gè)區域，從一點(diǎn)流 入，另一點(diǎn)流出。而當兩個(gè)區域之間只有一個(gè)連接點(diǎn)時(shí)，電流無(wú)法僅通過(guò)一個(gè)連接點(diǎn)流入另一個(gè)區域，而又從同一個(gè)點(diǎn)返回。這時(shí)兩個(gè)區域是相互獨立的，電流無(wú)法 流人或流出，如圖4所示。把這種形式引入到模擬地與數字地中，用溝槽分割數字地與模擬地，再通過(guò)橋連接兩者，這樣既可以保證DGND與AGND引腳之間有 相同的電壓，而且隔離了數字電路產(chǎn)生的噪聲。使用橋的好處類(lèi)似于有護城河的城堡。只有具有過(guò)橋通行權的信號才被允許通過(guò)。這條通過(guò)橋在參考平面上形成的回 路是唯一被允許存在的路徑。& W. U4 f3 a9 l8 a9 i- C
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大多數A／D轉換器芯片內部的模擬地與數字地是分開(kāi)的，需要從外部用最短的引線(xiàn)將AGND和DGND連接到同一個(gè)低阻抗和相同壓降的地上。只要連接的橋足 夠寬和短，就能為AGND和DGND提供幾乎相同的電壓。一般情況下A／D轉換IC放置在橋的正上方。如果系統中需要多個(gè)A／D轉換器，例如4個(gè)A／D轉 換器，不能在每個(gè)A／D轉換器下面都將模擬地和數字地連接到一起，否則就會(huì )產(chǎn)生如圖6所示的多點(diǎn)連接，這樣橋的隔離就毫無(wú)意義了。有的工程師此時(shí)會(huì )建議使 用統一的地。對于一些低敏感度的A／D轉換器可以使用統一的地。例如，8 bit的A／D轉換器，噪聲隔離度只需要60dB或更低。這時(shí)就可以使用統一的地。但是對于一些高敏感度的A／D轉換器，例如噪聲隔離度要求80dB，建 議每個(gè)A／D轉換器使用一個(gè)單獨的模擬地，每個(gè)模擬地再單獨與數字地單點(diǎn)橋接。把參考地分為N+1塊，N為A／D轉換器數量，"1"為數字地，這樣就可以 提供高噪聲隔離度。
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當 使用差分、變壓器耦合或者光耦合這類(lèi)的漂浮輸人時(shí)，沒(méi)有必要使用橋連接模擬地與數字地。因為這些漂浮輸入不需要有直接地-地的連接。模擬輸入以殼體為參考 點(diǎn)時(shí)，情況就要復雜得多了。因為模擬地需要連接兩個(gè)"地"：一個(gè)是A／D轉換器的地；另一個(gè)是殼體的地。一旦同一個(gè)模擬參考平面連接了兩個(gè)地，就會(huì )出現雜 散電流。這個(gè)雜散電流使得橋的隔離噪聲的作用消失，如圖5所示。如果這時(shí)數字電路的I／O接口也是以殼體為參考點(diǎn)，一旦模擬地和數字地都與殼體建立連接， 數字地中的電流就會(huì )通過(guò)殼體流人模擬地，再通過(guò)橋返回到電流源。這個(gè)電流流經(jīng)敏感的模擬地時(shí)就會(huì )對模擬器件形成干擾。6 @+ u8 L; o4 k
4 分割參考平面的原則‘ u! i# d2 C2 h$ h& R$ ]
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通過(guò)以上分析可以看出模擬信號盡量以差分、變壓器耦合或者光耦合的形式輸入。如果模擬輸人量為這類(lèi)漂浮輸入，模擬地不需要與數字地進(jìn)行橋接，從而斷絕了雜 散電流的回路。其他形式的模擬信號輸入需要與數字地進(jìn)行橋接。當有多個(gè)A/D轉換器時(shí)，每個(gè)A／D轉換器對應一個(gè)單獨的模擬地，并且每個(gè)模擬地與數字地單 點(diǎn)相接。例如系統有4個(gè)ADC，ADC1的模擬信號以差分形式輸入，地分割的拓撲原則是"N+1"，除去ADC1以外，每個(gè)單獨的模擬地再與數字地單點(diǎn)相 接．如圖6所示、
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如 果輸入模擬信號必需以殼體地為參考點(diǎn)，則可以將橋的數字地端接到殼體的地，從而使雜散電流不會(huì )流入到模擬地。如果輸入的模擬信號和數字的I／O口都是以殼 體地為參考點(diǎn)的，應該在整個(gè)PCB的下方多加一層金屬薄片，并且使PCB上每個(gè)單獨地區域的邊緣都通過(guò)螺孔與這片薄板相連，如圖7所示。這片金屬薄板為雜 散電流提供了低阻抗路徑，對噪聲隔離有一定的改善。EDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇! L6 I7 n+ O( _0 |/ u‘ L, @
如 果地平面已經(jīng)被分割了，就絕對不能有信號線(xiàn)跨越分割。有工程師堅持要使信號線(xiàn)跨越分割，這時(shí)可以使用射頻扼流器，但射頻扼流器并不能從根本上解決跨越分割 引起的輻射，并且只對頻率極高的信號有一定作用。如圖8所示，一條特征阻抗50 Ω、終端開(kāi)路的無(wú)損微帶線(xiàn)；地平面上有一條長(cháng)5cm、寬2mm的溝槽。EDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇; r8 k w1 @‘ v# l
該系統可以看成一個(gè)單端口器件，其損耗主要由溝槽的輻射引起。因此可以通過(guò)系統的S11 參數來(lái)反映溝槽的損耗。該系統的S11參數如圖9 所示。
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如 圖10所示為在地平面切割出的射頻扼流器，它們改變了溝槽的形狀(長(cháng)12mm、寬6mm)。由于溝槽形狀的改變，使得阻抗失配，從而在溝槽內部形成多次反 射。其S11參數如圖11所示，從圖11中可以看出，當頻率高于8GHz時(shí)射頻扼流器的作用比較明顯。利用互補天線(xiàn)原理，長(cháng)為L(cháng)、寬度為W的微帶天線(xiàn)的輻 射阻抗為： EDA365論壇+ ]4 P- u2 q2 N2 u) W
當L從2mm增加到12mm時(shí)(W=6mm不變)，Rr增加了。利用巴俾涅原理和互補天線(xiàn)理論可知溝槽的輻射阻抗減小了，從而改善了溝槽的輻射。
6 u$ a& u- S) W0 l) VEDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇大 多數有關(guān)地分割的書(shū)或文章中都建議在橋接時(shí)把橋做得又短又寬，最好能和跨接的A/D轉換器的寬度一樣。但是筆者不建議把橋做得太寬，因為太寬的橋有可能提 供了兩點(diǎn)或多點(diǎn)橋接。如果橋的寬度太寬，超過(guò)數字信號上升時(shí)間的電氣長(cháng)度就會(huì )形成多電連接，為同步開(kāi)關(guān)噪聲提供回路。上升時(shí)間的電氣長(cháng)度為：EDA365論壇網(wǎng)站|PCB論壇|PCB layout論壇|SI仿真技術(shù)論壇* w( e4 a7 y. m5 f
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式(4)中，L為電氣長(cháng)度，單位為in；Tr為數字信號上升時(shí)間，單位為ns；PT為傳播時(shí)間，單位為ns·in-1。例如對于上升時(shí)間為1ns，材料為 FR-4(傳播時(shí)間大約為1／6 ns·in-1)的PCB來(lái)說(shuō)電氣長(cháng)度為L(cháng)=1in。因此，橋的寬度最好不要超過(guò)1in。EDA365論壇: v0 ?" }9 i# S. Q‘ ?; L8 H
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本文摘自《電子與封裝》
