信號(hào)通路如何在多層PCB上工作

在印刷電路板設(shè)計(jì)中，為什么要盡可能使用接地平面？接地平面降低了信號(hào)返回路徑的電感。這反過(guò)來(lái)又將瞬時(shí)接地電流產(chǎn)生的噪聲降至最低。本文將討論信號(hào)通路如何在多層PCB上工作以及返回通路電感的概念。

信號(hào)選擇阻抗最小路徑

考慮一個(gè)雙層電路板，如圖1所示。底層是接地層，電流源連接到頂層的U形跡線。頂層跡線通過(guò)VIA1和VIA2連接到底層。

圖1.圖片由AnalogDevices提供。

首先，如圖2所示，將DC電流注入頂層跡線。

圖2.圖像由AnalogDevices提供。

電流沿著U形跡線下降。然后，通過(guò)VIA1到達(dá)地平面。地平面的哪一部分將電流傳回VIA2？可以將地平面設(shè)想為無(wú)限多平行的窄軌跡。電流將選擇具有相對(duì)較小阻抗的跡線。由于從VIA1到VIA2的直接路徑最短并且電阻最小，因此大部分電流將流過(guò)該路徑。當(dāng)離開(kāi)這條阻力最小的路徑時(shí)，電流密度會(huì)迅速下降。假設(shè)將交流電流注入U(xiǎn)形跡線。它會(huì)采用直流電流的相同路徑嗎？

直流電流采用阻抗最?。ɑ螂娮枳钚。┑穆窂?。對(duì)于AC電流，阻抗取決于路徑的電阻和電感。雖然最短路徑提供最小電阻，但它不一定提供最小電感。路徑的電感取決于電流產(chǎn)生的環(huán)路面積。圖3顯示了信號(hào)跟蹤及其返回路徑創(chuàng)建的示例電流環(huán)路。如果由電流產(chǎn)生的環(huán)路面積增加，則電感將按比例增加。

圖3.圖片由AnalogDevices提供。

例如，圖4中的紅色返回路徑創(chuàng)建的循環(huán)比綠色路徑更大。因此，在這兩條路徑之間，AC電流通過(guò)綠色路徑，其具有較小的電感。對(duì)于路徑的總阻抗，實(shí)際上應(yīng)該考慮電阻和電感。然而，隨著AC信號(hào)的頻率增加，電感對(duì)路徑阻抗的貢獻(xiàn)大于電阻的數(shù)量級(jí)。因此，如圖4所示，高頻返回電流將直接在U形跡線下方流動(dòng)，以最小化環(huán)路面積（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，忽略了路徑電阻）。當(dāng)離開(kāi)地平面中的這條路徑時(shí)，電流密度將迅速降低。

圖4.圖像由AnalogDevices提供

對(duì)于上面的例子，我們有一個(gè)地平面，可以設(shè)想為無(wú)限多的窄平行路徑。返回電流流過(guò)那些使阻抗最小化的路徑。使用雙層電路板，我們負(fù)擔(dān)不起接地層。在這種情況下，可能有一條軌道（而不是一個(gè)平面）用于返回電流。即使電流可能表現(xiàn)出很大的電感，也要強(qiáng)制電流經(jīng)過(guò)這條路徑。對(duì)于雙層電路板的一些關(guān)鍵信號(hào)走線（例如時(shí)鐘信號(hào)），我們可以路由適當(dāng)?shù)姆祷芈窂?，但我們不能?duì)電路板上的所有跡線執(zhí)行此操作。如何降低雙面電路板上所有跡線的電流路徑電感？我們將很快討論雙層板的高效地面系統(tǒng)。
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