高頻信號接地探討

一、前言

接地無（wú）疑是係統設計中最為棘手的問題之一。盡管它的概（gài）念相對比較簡單，實施起來卻很複雜，遺憾的是，它沒有一個簡明扼要可以用詳細步驟（zhòu）描述的方法來（lái）保證取得良好效果，但如果在某些細（xì）節上處理不當，可能會導（dǎo）致令人頭痛的問題，特別是隨著電子產品的傳輸速度越來越大，接地（dì）問題也是日益突出。

二、高頻工作的接地

圖1所示的簡單電路采用兩層印刷電路板製造，頂層上有一個交直流電流源，其一端（duān）連到過孔1，另一端通過一條U形銅走線連（lián）到過孔2。兩個過孔均穿過電路板並連到接地層（céng）。理想情況下，頂端連（lián）接器以及過孔1和過孔2之間的接地回（huí）路中（zhōng）的阻抗為零，電流源上的電壓為零（líng）。

圖1.電流源的原理圖和布局（jú），PCB上布設（shè）U形走線，通過接地層返回

這個簡單原理圖很難顯示出內在的微妙之（zhī）處，但了解（jiě）電流如何在接（jiē）地層中從過孔1流到過孔2，將有助於（yú）我們看清實際問題所（suǒ）在，並找到消除高頻布局接地噪聲的方法。

圖2.圖1所（suǒ）示PCB的直流電流的流動

圖2所示（shì）的直流電（diàn）流的流動方式，選取了（le）接地層中從過（guò）孔1至過孔2的電阻最小的路（lù）徑。雖然會發（fā）生一些電流擴散，但基本上不會有電流實（shí）質性偏離這條（tiáo）路徑。相反，交（jiāo）流電流則選取阻抗最小的路徑，而這要取決於電感。

圖3.磁力線和感性環路（右（yòu）手法則）

電感與電流環路的麵積成比例，二者（zhě）之間的關係（xì）可（kě）以用圖3所示的右手法則和（hé）磁場來說（shuō）明。環路之內，沿（yán）著環路所有部分流動的電流所產生的磁場相互增強。環路（lù）之外，不（bú）同部分所產生的磁（cí）場相（xiàng）互削弱。因此，磁場原則上被限製在環路以（yǐ）內。環路越（yuè）大則電感越大，這意味著：對於給定的電流水（shuǐ）平，它儲存的磁能(Li2)更（gèng）多，阻抗更高(XL = jωL)，因而將在（zài）給（gěi）定頻率產生更（gèng）大電壓。

圖4.接地層中不含電阻（zǔ）（左圖）和含電阻（右圖）的交流電流路徑

電流將在（zài）接地層中選取哪一條路徑呢？自（zì）然是阻抗最.低的路徑。考慮U形表麵引線和接地層所形成的環路，並忽略電阻，則高（gāo）頻交流電流將沿著阻抗最.低，即所圍麵積最小（xiǎo）的路徑流動。

在圖中所示的例子（zǐ）中，麵積最小的環路（lù）顯然是由U形頂部走線與其正下方的接地層部（bù）分所形成（chéng）的環路。圖2顯示了直流電流路徑，圖4則顯示了大多數交流電流在接地層中選取的路徑，它所圍成的麵積最小，位於U形頂部走線正下方。實際應用中，接地層電阻會導（dǎo）致低中頻電流（liú）流向（xiàng）直接返回路徑與頂部導（dǎo）線正下方（fāng）之間的某處。不過，即使頻率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑（jìng）也是接（jiē）近頂部走線的下方（fāng）。