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硬件工程師必看：包地與串?dāng)_

時(shí)間：2021-02-23 09:05:47
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[導(dǎo)讀]工程界常常使用保護(hù)地線進(jìn)行隔離，來抑制信號(hào)間的相互干擾。


工程界常常使用保護(hù)地線進(jìn)行隔離，來抑制信號(hào)間的相互干擾。的確，保護(hù)地線有時(shí)能夠提高信號(hào)間的隔離度，但是保護(hù)地線并不是總是有效的，有時(shí)甚至反而會(huì)使干擾更加惡化。使用保護(hù)地線必須根據(jù)實(shí)際情況仔細(xì)分析，并認(rèn)真處理。

保護(hù)地線是指在兩個(gè)信號(hào)線之間插入一根網(wǎng)絡(luò)為GND的走線，用于將兩個(gè)信號(hào)隔離開，地線兩端打GND過孔和GND平面相連，如圖所示。有時(shí)敏感信號(hào)的兩側(cè)都放置保護(hù)地線。

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要想加入保護(hù)地線，首先必須把兩個(gè)信號(hào)線的間距拉開到足以容納一根保護(hù)地線的空間，由于拉開了信號(hào)線的間距，即使不插入保護(hù)地線，也會(huì)減小串?dāng)_。插入保護(hù)地線會(huì)有多大的作用？
低頻模擬信號(hào)包地
我們來看表層微帶線情況下串?dāng)_的大小。假設(shè)走線是50Ω阻抗控制的，線寬為6mil，介質(zhì)厚度為3.6mil，介電常數(shù)為4.5。并假設(shè)兩路信號(hào)都是載波頻率為30Mhz，帶寬為2Mhz的模擬信號(hào)。
下圖顯示了三種情況下的遠(yuǎn)端串?dāng)_情況。當(dāng)線間距為6mil時(shí)，由于兩條線緊密耦合，遠(yuǎn)端串?dāng)_較大。把間距增加到18mil，遠(yuǎn)端串?dāng)_明顯減小。進(jìn)一步，在兩條線之間加入保護(hù)地線，地線兩端使用過孔連接到地面，遠(yuǎn)端串?dāng)_進(jìn)一步減小。

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對(duì)于低頻模擬信號(hào)之間的隔離，保護(hù)地線的確很有用。這也是很多低頻板上經(jīng)常見到的“包地”的原因。 但是，如果需要隔離的數(shù)字信號(hào)，情況會(huì)有所不同。我們分表層微帶線和內(nèi)層帶狀線兩種情況來討論保護(hù)地線對(duì)數(shù)字信號(hào)的隔離效果。以下討論我沒假定PCB走線都是50Ω阻抗控制的。
表層走線
仍然使用上面的表層走線疊層結(jié)構(gòu)，線寬為6mil，介質(zhì)厚度為3.6mil，介電常數(shù)為4.5。攻擊信號(hào)為上升時(shí)間Tr=200ps的階躍波形?？紤]以下三種情況下的近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_的情況，如下圖所示，其中耦合段長(zhǎng)度為2000mil。
Case1：兩條走線間距gap=1w（w=6mil表示線寬）；
Case2：兩條走線間距gap=3w，僅僅拉大道能夠放下一條保護(hù)線的間距，但不適用保護(hù)線；
Case3：兩條線間距gap=3w，中間使用保護(hù)地線，并在兩端打GND過孔。

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下圖顯示了三種情況下串?dāng)_波形，無論是近端串?dāng)_還是遠(yuǎn)端串?dāng)_，走線間距從1w增加到3w時(shí)，串?dāng)_都明顯減小。在此基礎(chǔ)上，走線間插入保護(hù)地線，串?dāng)_如下圖中Case 3所示，相比Case 2，插入保護(hù)地線，不但沒有起到進(jìn)一步減小串?dāng)_的作用，反而增大了串?dāng)_噪聲。

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這個(gè)例子表明，拉開走線間距是最有效的減小串?dāng)_的方法。 保護(hù)地線如果使用不當(dāng)，可能反而會(huì)惡化串?dāng)_。因此，在使用保護(hù)地線時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況仔細(xì)分析。保護(hù)地線要想起到應(yīng)有的隔離作用，需要再地線上添加很多GND過孔，過孔間距應(yīng)小于1/10λ，如圖所示。λ為信號(hào)中最高頻率成分對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

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內(nèi)層走線
對(duì)于內(nèi)層走線，如下圖所示：

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介電常數(shù)為4.5，阻抗為50Ω。考慮到下圖三種情況。攻擊信號(hào)為上升時(shí)間Tr=200ps的階躍波形，入射信號(hào)幅度500mv，耦合長(zhǎng)度為2000mil，近端串?dāng)_如圖所示，加入了保護(hù)地線，近端串?dāng)_從3.44mV進(jìn)一步減小到了0.5mV。信號(hào)隔離度提高了16B。對(duì)于內(nèi)層走線，加入保護(hù)地線能夠獲得更大的隔離度。

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對(duì)于表層走線來說，使用密集型的GND過孔，對(duì)提升隔離效果是有好處的。但是，對(duì)于內(nèi)層走線來說，使用密集型的GND過孔幾乎得不到額外的好處， 下圖對(duì)比了GND過孔間距為2000mil（保護(hù)地線兩端打GND過孔）和GND過孔間距為400mil時(shí)的近端串?dāng)_情況，串?dāng)_量幾乎沒有變化。

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間距增加到5w時(shí)情況如何？

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當(dāng)走線間距進(jìn)一步加大，保護(hù)地線仍保持在6mil的線寬時(shí)，對(duì)于表層走線來說，保護(hù)地線的作用減小。在下圖中，兩條線間距拉到5w時(shí)，兩種情況下近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_量和不使用保護(hù)地線情況相當(dāng)，沒有明顯改善。因此，對(duì)于表層走線來說，走線間距很大時(shí)，中間再加入保護(hù)地線，幾乎沒有什么效果，如果處理不好反而會(huì)使串?dāng)_惡化。
對(duì)于內(nèi)層走線來說，保護(hù)地線仍然會(huì)起很大作用。如下圖，內(nèi)層間距為5W，兩種情況下近端串?dāng)_噪聲波形如圖。中間加入了保護(hù)地線，能明顯改善近端串?dāng)_。

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結(jié)論

1）保護(hù)地線對(duì)低頻模擬信號(hào)的隔離通常都是有效的。但是在數(shù)字信號(hào)之間的保護(hù)走線并不是那么有用，有時(shí)反而會(huì)使情況更惡化。
2）對(duì)于表層走線，如果保護(hù)地線的GDN孔間距很大，可能會(huì)使串?dāng)_更加嚴(yán)重，必須使用非常密集的GND孔才能起到隔離的效果。
3）對(duì)于內(nèi)層走線，保護(hù)地線可以減小近端串?dāng)_。

來源：CSDN， 作者：硬件工程師煉成之路
原文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_42005993/article/details/103222357

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