【導讀】在印刷電路板設計中，為什么要盡可能使用接地平面？接地平面降低了信號返回路徑的電感。這反過來又將瞬時接地電流產生的噪聲降至最低。本文將討論信號通路如何在多層PCB上工作以及返回通路電感的概念。
在印刷電路板設計中，為什么要盡可能使用接地平面？接地平面降低了信號返回路徑的電感。這反過來又將瞬時接地電流產生的噪聲降至最低。本文將討論信號通路如何在多層PCB上工作以及返回通路電感的概念。
信號選擇阻抗最小路徑
考慮一個雙層電路板，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VIA1和VIA2連接到底層。
圖1.圖片由Analog Devices提供。
首先，如圖2所示，將DC電流注入頂層跡線。
圖2.圖像由Analog Devices提供。
電流沿著U形跡線下降。然后，通過VIA1到達地平面。地平面的哪一部分將電流傳回VIA2？可以將地平面設想為無限多平行的窄軌跡。電流將選擇具有相對較小阻抗的跡線。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該路徑。當離開這條阻力最小的路徑時，電流密度會迅速下降。假設將交流電流注入U形跡線。它會采用直流電流的相同路徑嗎？
直流電流采用阻抗最小（或電阻最小）的路徑。對于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生的環路面積。圖3顯示了信號跟蹤及其返回路徑創建的示例電流環路。如果由電流產生的環路面積增加，則電感將按比例增加。
圖3.圖片由Analog Devices提供。
例如，圖4中的紅色返回路徑創建的循環比綠色路徑更大。因此，在這兩條路徑之間，AC電流通過綠色路徑，其具有較小的電感。對于路徑的總阻抗，實際上應該考慮電阻和電感。然而，隨著AC信號的頻率增加，電感對路徑阻抗的貢獻大于電阻的數量級。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，以最小化環路面積（為簡單起見，忽略了路徑電阻）。當離開地平面中的這條路徑時，電流密度將迅速降低。
圖4.圖像由Analog Devices提供
對于上面的例子，我們有一個地平面，可以設想為無限多的窄平行路徑。返回電流流過那些使阻抗最小化的路徑。使用雙層電路板，我們負擔不起接地層。在這種情況下，可能有一條軌道（而不是一個平面）用于返回電流。即使電流可能表現出很大的電感，也要強制電流經過這條路徑。對于雙層電路板的一些關鍵信號走線（例如時鐘信號），我們可以路由適當的返回路徑，但我們不能對電路板上的所有跡線執行此操作。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。
