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這里簡單構(gòu)造了一個(gè)“場景”,結(jié)合下圖介紹一下地回流和電源回流以及一些跨分割問題。為方便作圖,把層間距放大。

IC1為信號(hào)輸出端,IC2為信號(hào)輸入端(為簡化模型,假定接收端內(nèi)含下接電阻)第三層為地層。IC1和IC2的地均來自于第三層地層面。頂層右上角為一塊電源平面,接到電源正極。C1和C2分別為IC1、IC2的退耦電容。圖上所示的芯片的電源和地腳均為發(fā)、收信號(hào)端的供電電源和地。



在低頻時(shí),如果S1端輸出高電平,整個(gè)電流回路是電源經(jīng)導(dǎo)線接到VCC電源平面,然后經(jīng)橙色路徑進(jìn)入IC1,然后從S1端出來,沿第二層的導(dǎo)線經(jīng)R1端進(jìn)入IC2,然后進(jìn)入GND層,經(jīng)紅色路徑回到電源負(fù)極。

但在高頻時(shí),所呈現(xiàn)的分布特性會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生很大影響。我們常說的地回流就是高頻信號(hào)中經(jīng)常要遇到的一個(gè)問題。當(dāng)S1到R1的信號(hào)線中有增大的電流時(shí),外部的磁場變化很快,會(huì)使附近的導(dǎo)體感應(yīng)出一個(gè)反向的電流。如果第三層的地平面是完整的地平面的話,那么會(huì)在地平面上會(huì)有一個(gè)藍(lán)色虛線標(biāo)示的電流;如果TOP層有一個(gè)完整的電源平面的話,也會(huì)在頂層有一個(gè)沿藍(lán)色虛線的回流。此時(shí)信號(hào)回路有最小的電流回路,向外輻射的能量最小,耦合外部信號(hào)的能力也最小。(高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)也是向外輻射能量最小,原理是一樣的。)

由于高頻信號(hào)電平和電流變化都很快,但是變化周期短,需要的能量并不是很大,所以芯片是和離芯片最近的退耦電容取電的。當(dāng)C1足夠大,而且反應(yīng)又足夠快 (有很低的ESR值,通常用瓷片電容。瓷片電容的ESR遠(yuǎn)低于鉭電容。),位于頂層的橙色路徑和位于GND層的紅色路徑可以看成是不存在的(存在一個(gè)和整板供電對(duì)應(yīng)的電流,但不是與圖示信號(hào)對(duì)應(yīng)的電流)。

因此,按圖中構(gòu)造的環(huán)境,電流的整個(gè)通路是:由C1的正極->IC1的VCC->S1->L2信號(hào)線->R1->IC2的 GND->過孔->GND層的黃色路徑->過孔->電容負(fù)極??梢钥吹?,電流的垂直方向有一個(gè)棕色的等效電流,中間會(huì)感應(yīng)出磁場,同時(shí),這個(gè)環(huán)面也能很容易的耦合到外來的干擾。如果和圖中信號(hào)為一條時(shí)鐘信號(hào),并行有一組8bit的數(shù)據(jù)線,由同一芯片的同一電源供電,電流回流途徑是相同的。如果數(shù)據(jù)線電平同時(shí)同向翻轉(zhuǎn)的話,會(huì)使時(shí)鐘上感應(yīng)一個(gè)很大的反向電流,如果時(shí)鐘線沒有良好的匹配的話,這個(gè)串?dāng)_足以對(duì)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生致命影響。這種串?dāng)_的強(qiáng)度不是和干擾源的高低電平的絕對(duì)值成正比,而是和干擾源的電流變化速率成正比,對(duì)于一個(gè)純阻性的負(fù)載來說,串?dāng)_電流正比于dI/dt=dV /(T10%-90%*R)。式中的dI/dt (電流變化速率)、dV(干擾源的擺幅)和R(干擾源負(fù)載)都是指干擾源的參數(shù)(如果是容性負(fù)載的話,dI/dt是與T10%-90%的平方成反比的。)。從式中可以看出,低速的信號(hào)未必比高速信號(hào)的串?dāng)_小。也就是我們說的:1kHZ的信號(hào)未必是低速信號(hào),要綜合考慮沿的情況。對(duì)于沿很陡的信號(hào),是包含很多諧波成分的,在各倍頻點(diǎn)都有很大的振幅。因此,在選器件的時(shí)候也要注意一下,不要一味選開關(guān)速度快的芯片,不僅成本高,還會(huì)增加串?dāng)_以及EMC問題。

任何相鄰的電源層或其它的平面,只要在信號(hào)兩端有合適的電容提供一個(gè)到GND的低電抗通路,那么這個(gè)平面就可以作為這個(gè)信號(hào)的回流平面。在平常的應(yīng)用中,收發(fā)對(duì)應(yīng)的芯片IO電源往往是一致的,而且各自的電源與地之間一般都有0.01-0.1uF的退耦電容,而這些電容也恰恰在信號(hào)的兩端,所以該電源平面的回流效果是僅次于地平面的。而借用其他的電源平面做回流的話,往往不會(huì)在信號(hào)兩端有到地的低電抗通路。這樣,在相鄰平面感應(yīng)出的電流就會(huì)尋找最近的電容回到地。如果這個(gè)“最近的電容”離始端或終端很遠(yuǎn)的話,這個(gè)回流也要經(jīng)過“長途跋涉”才能形成一個(gè)完整的回流通路,而這個(gè)通路也是相鄰信號(hào)的回流通路,這個(gè)相同的回流通路和共地干擾的效果是一樣的,等效為信號(hào)之間的串?dāng)_。

對(duì)于一些無法避免的跨電源分割的情況,可以在跨分割的地方跨接電容或RC串聯(lián)構(gòu)成的高通濾波器(如10歐電阻串680p電容,具體的值要依自己的信號(hào)類型而定,即要提供高頻回流通路,又要隔離相互平面間的低頻串?dāng)_)。這樣可能會(huì)涉及到在電源平面之間加電容的問題,似乎有點(diǎn)滑稽,但肯定是有效的。如果一些規(guī)范上不允許的話,可以在分割處兩平面分別引電容到地。

對(duì)于借用其它平面做回流的情況,最好能在信號(hào)兩端適當(dāng)增加幾個(gè)小電容到地,提供一個(gè)回流通路。但這種做法往往難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榻K端附近的表層空間大多都給匹配電阻和芯片的退耦電容占據(jù)了。

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