在广泛使用网络这一概念的低速电路中,“地”同样大行其道,“地”本身就是一个网络。在低速电路中,之所以不用考虑信号的返回路径,就是认为所有的电流都将汇合到“地″这个无穷大的容器,同时认为“地”就是一个等势体,因此也不关心其中的电流流动。这是一个错误的观点。高频时,信号路径和返回路径的回路电感要最小化,那么,返回电流是紧靠信号电流的,只要附近导体允许,返回路径会尽量靠近信号路径分布。如果周围没有导体可以提供返回路径,那么自由空间就成为返回路径,这就带来了EMC问题。
如图1所示,平行双导线传输线的两根导体中一根是信号路径,另一根就是返回路径,两者没有严格区分;同轴电缆的内导体就是信号路径,外导体就是返回路径;共面带状线的一条导线是信号路径,另一条就是返回路径;共面波导的中间导体是信号路径,两边金属平面是返回路径;微带线和带状线的窄导体是信号路径,导体附近的金属平面就是返回路径。读者可以凭经验感受一下`将同轴电缆的外导体开一个槽,会对高速信号传输带来什么样的影响。所以,在设计高速电路的过程中,要丢掉“地”这个概念,像对待信号路径一样对待返回路径。
图1 各种传输线横截面
在高速PCB上,无法用到平行双导线和同轴电缆。在设计低速电路时,布完线经常要进行“包地”这个操作,“包地”形成的传输线就是共面波导。在第3章讲过,当两条走线靠得很近时会形成串扰,也就是说,—条走线A将另一条走线B作为返回路径,形成共面带状线,这是不希望看到的,因为走线B并不是故意设计来作为返回路径的。避免这种串扰最基本的措施是,用一个“大的金属平面”尽量去靠近走线,相比另外一条窄走线B,这个“大的金属平面”是一个更好的返回路径,这就形成了PCB上的微带线和带状线。而这个“大的金属平面”就是镜像层,也称“参考平面”,在PCB上通常将其分配给电源和地。
可靠的返回路径应该和信号路径平行且靠近。只有这样,信号路径和返回路径产生的磁力线才会最大程度地相互抵消,因为两者方向相反,这就是磁通最小化原理,如图2所示,图2(a)所示的回路面积比图2(b)所示的小。回路产生的磁通量也比较小。它向周围产生的辐射较少。在周围其他信号线上产生的串扰也较少。最坏的设计就是返回路径出现断裂,甚至根本没有为信号路径提供返回路径;而最好也是最简单的设计就是上面提到的采用参考平面(镜像层)。当然还有一些其他方法来实现磁通最小化,如:
图2 回路磁通
· 保证多层板有正确的叠层设置和阻抗控制;
· 对于多层板,将高速走线布置在接地平面或接地栅格附近,单面板和双面板配置接
地走线或包地;
· 将元件封装内部所产生的磁通捕捉到0V参考系统中,以减少元件的内部辐射;
· 降低电源分配系统(PDS)中的噪声电压;
· 能够使用低速器件,就尽量不要使用高速器件;
· 选用射频驱动电压较低的器件以降低走线中的射频电流;
· 当有外部I/O电缆连接时,正确使用旁路电容;
· 在选定的网络中用数据线过滤器和共模扼流圈:
· 为那些会辐射大量共模射频能量的组件提供一个接地的散热器
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,高速电路PCB “地”、返回路径、镜像层和磁通最小化