如何将地平面连接在一起

电器工程 电路板 布局 地面 路由 通过
2022-01-15 07:13:03

将接地层连接在一起的最佳方法是什么?

我知道接地层在多个位置连接在一起,以便在整个电路板上保持低阻抗 GND 并为信号提供返回路径。

但是,除了过孔非常靠近每个去耦电容,

  • 我见过很多过孔添加了网格图案的布局,间距为板上最大波长的 1/20。

  • 在其他板上,过孔沿迹线放置(例如“放置通孔以连接接地层”)。

  • 我看到过孔随机散落。

  • 还有组合:沿线的过孔+随机散布在GND平面上。

有明显的差异吗?

我想要实现的是良好的信号完整性、低辐射和良好的电源去耦。

1个回答

没有一个。

也就是说,随着时间的推移,我收集了一些东西。你对地平面做什么很大程度上取决于你想要做什么。您可能正在尝试提供低阻抗路径,或者您可能正在尝试将一个区域与另一个区域隔离,或者您可能正在尝试处理 EMI。

做错肯定会有性能损失,但除非您处理高频电路或精密模拟工作,否则您可能并不真正关心。输入接地时 ADC 读数的波动位数,或由频谱分析仪测量的 RF 信号的频谱纯度,将告诉您任何设计的错误程度。除非您拥有像他们的测试电路一样简单的系统,否则通常不可能做到 100% 正确(数据表规范)。

最复杂的接地连接问题与 RF 频率有关,并且信号要么很弱,要么正在通过容易受到该频率 EMI 耦合影响的走线。在微波频率下,一厘米就足以制造一个非常有效的天线并弄乱东西。我记得我的一位教授曾经告诉我,当他在这个行业工作时,他们会留下很多可以将两个接地短路在一起的点,然后工程师会逐个测试它们,看看哪个给了最棒的表演。他们正在使用高频(微波)电路。

通常,您希望缩短三种类似“地平面”的元素。

  1. 真正的地平面。出于某种原因,你有很多,你想把它们连接在一起。这可能是轧机电路运行中最常见的问题。

  2. 与信号线一起运行的接地/保护走线,可能提供返回路径,保护高频信号或绑定到/来自高阻抗源或接收器的信号线。这可能是为了防止信号泄漏或防止 EMI 耦合。

  3. 多个接地平面实际上是相同的接地。

首先,您应该了解实际上并没有通用接地,并且同一电路中的不同接地不一定是相同的接地。您遇到的一个典型示例是 ADC 的数据表,其中讨论了模拟和数字接地。这是为了确保如此嘈杂的数字电路不会与您额外支付的高分辨率 ADC 相混淆。不同种类的电路在与地面的相互作用方面具有不同的特性。由于数字电路的特点是每个时钟处的电流突然出现尖峰,因此它们往往在时钟频率处特别嘈杂,随后在谐波和次谐波处。旁路电容应该可以解决这个问题,

同样,电源地也会有噪音,因为像电机和螺线管这样的负载也会有噪音,要么是因为换向的影响,要么是因为 PWM 等因素。所涉及的高电流和有限的接地电阻(即使是一块铜也有一定的电阻)意味着电源接地上出现的瞬变往往更高。例如,有时高到足以在控制电机时完全搞砸编码器测量。

因此,目标是尽你所能隔离这些理由。这意味着它们根本不重叠。您不要将模拟地放在顶部,而将数字地放在底部。与模拟有关的一切都与模拟接地有关,与数字有关的一切都与印刷电路板不同区域的数字接地有关。当目标是隔离时,您将平面连接到一个点。不止一点可能是灾难性的,因为它会导致电流环路,从而导致 EMI 问题和意外天线。接地全部短路的点通常被称为电路的星形接地点,并且与您将要到达的电路宽接地点一样近。通常,它们应尽可能靠近并集中到两个电路相互作用的地方,通常是 ADC 或 DAC。在真正杂乱无章的设计中,您会在电源附近将它们短路并祈祷最好的。这是类型 1。

在类型 2 中,您有某种保护跟踪。如果走线接地,那么您可能担心 EMI 而不是泄漏。在泄漏的情况下,您需要将防护装置驱动到接近信号电平。在这两种情况下,您都希望保护装置对源的阻抗尽可能低。如果走线要接地,这意味着多个过孔会定期下降到接地层。

第三种,有点不那么异国情调,实际上只是在陈述显而易见的事情。这与将去耦帽接地的通孔或将顶部和底部接地层短路的随机通孔有关。创建星形地面并隔离不同区域后,您希望每个地面尽可能统一。例如,您不希望模拟地平面的两个角之间存在可测量的电位差。您可以通过为星形接地提供一条低阻抗路径来做到这一点 - 每个需要接地的引脚或焊盘都连接到平面,从而将其直接连接到星形接地点。拥有平面还有一个额外的优势,即在每个信号迹线下方提供返回路径,从而避免形成可能充当天线的电流环路。在必须破坏地平面的情况下,但是您需要有一条返回路径,您将提供通过另一层的替代路线。如果您在同一区域有多个接地平面(注意:这些必须是相同的接地),周期性过孔可以帮助稍微降低阻抗。