了解如何使用網(wǎng)格化接地技術(shù)降低雙面 PCB 中的噪聲。

多層板的接地平面可以顯著改善電路的噪聲性能。對于雙面板，我們通常不能有地平面，我們預(yù)計(jì)會有更多的噪聲和輻射。由于這個限制，我們更喜歡多層板，除非成本目標(biāo)迫使我們使用兩層板。

即使我們沒有帶雙層板的地平面，仍然有一些技術(shù)可以用來提高電路性能。本文介紹了接地網(wǎng)格技術(shù)，它使我們能夠?yàn)殡p面板實(shí)現(xiàn)高效的接地電路。

地平面如何降低電路板噪聲？為了更好地理解“接地網(wǎng)格”技術(shù)的操作，它會幫助您首先了解 PCB 中接地層的功能。如果需要，請?jiān)诶^續(xù)之前查看我關(guān)于地平面如何降低電路板噪聲的文章。

什么是網(wǎng)格地平面？

接地網(wǎng)格由跨 PCB 的接地連接網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建。例如，如圖 1 所示，我們可以在電路板的底層有一些水平接地走線，在頂層有一些垂直接地走線。此外，在垂直和水平地線的交叉處有過孔。

圖 1. 圖片由 TI 提供。

上述技術(shù)如何創(chuàng)建低電感接地系統(tǒng)？圖 1 中的網(wǎng)格相當(dāng)粗糙。更精細(xì)的接地網(wǎng)格如圖 2 所示（底部和頂部接地跡線未區(qū)分）。信號跡線將左上角門的輸出連接到右下角門的輸入。

圖 2.圖片由 EMC 和印刷電路板提供。

如您所見，電流環(huán)路可以通過接地電網(wǎng)提供的許多備選返回路徑閉合。盡管有許多并聯(lián)的返回路徑，但大部分電流將流過靠近信號走線的路徑，以限度地減少路徑電感。圖中顯示了可能表現(xiàn)出相對較小電感的返回路徑。

請注意，對于接地網(wǎng)格，您可能必須使用多個過孔在 PCB 上布線信號走線。這在圖 3 中顯示（在圖 2 的概念圖中未顯示）。

圖 3.圖片由電磁兼容性簡介提供。

因此，讓大部分頂層走線垂直走線，而讓大部分底層走線水平走線，這樣需要的過孔更少。

它有多有效？

檢查接地系統(tǒng)有效性的一種方法是測量板上各種 IC 之間的接地噪聲電壓。一項(xiàng)研究比較了使用接地網(wǎng)格的雙層板與采用單點(diǎn)接地的類似設(shè)計(jì)的 IC 接地引腳之間的電壓差。研究表明，接地網(wǎng)格可以將 IC 接地引腳之間的電壓差從 1000 mV 降低到 100 mV（這是各種 IC 組合之間的改進(jìn)）。根據(jù)這項(xiàng)研究，當(dāng)應(yīng)用接地網(wǎng)格技術(shù)時，電路板輻射減少了大約 7 dB。有關(guān)此研究的更多詳細(xì)信息，請參閱Henry W. Ott 的《電磁兼容工程》 第 10.5.3 節(jié)。

要顯著降低接地電路電感，應(yīng)使用 0.5 英寸或更小的接地網(wǎng)格間距。一般來說，隨著操作頻率的增加，我們可能需要使用更細(xì)的柵格來提供更多的并聯(lián)路徑并降低接地系統(tǒng)電感。接地網(wǎng)格技術(shù)與工作頻率高達(dá) 10 MHz 的電路兼容；高于此頻率應(yīng)使用地平面。

接地網(wǎng)格技術(shù)的其他版本

不同的書籍和應(yīng)用筆記建議了略有不同版本的接地網(wǎng)格技術(shù)。雖然圖 1 的接地網(wǎng)格僅依賴于接地跡線，但 Howard Johnson 和 Martin Graham 合著的《高速數(shù)字設(shè)計(jì)：黑魔法手冊》 建議使用圖 4 中所示的網(wǎng)格。

圖 4.圖片由 Howard Johnson 和 Martin Graham 提供，來自 高速數(shù)字設(shè)計(jì)：黑魔法手冊。

在這種情況下，頂層的垂直地線被電源線取代。水平構(gòu)件接地。請注意，這些地線位于電路板底部并且是連續(xù)的；它們不會被頂層的電源線中斷。圖 4 的接地網(wǎng)格將起作用，因?yàn)?AC 返回電流可以沿接地跡線或電源跡線同樣良好地流回其源。由于該方案不能使用過孔，我們必須在垂直和水平走線的交叉點(diǎn)使用旁路電容。這些電容器應(yīng)該是高質(zhì)量的，以使電流容易流回其驅(qū)動?xùn)艠O。

我們還可以在頂層和底層都有接地和電源走線。這在下面的圖 5 中顯示。

圖 5.圖片由 TI 提供。

這將占用更多的電路板空間，但我們預(yù)計(jì)它會表現(xiàn)出較低的電感，因?yàn)楝F(xiàn)在返回電流可以流過接地走線和電源走線。流經(jīng)電源走線的返回電流部分將使用旁路電容器到達(dá)附近的接地走線，電流可通過該接地走線流回驅(qū)動?xùn)艠O。

如果電路板空間限制不允許您使用寬走線，您可以使用窄走線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格。如圖 6 所示。

圖 6.圖片由電磁兼容工程提供。 

寬走線可以提供較低的電阻，這對于低頻考慮很重要；然而，即使是很窄的走線也會為電網(wǎng)系統(tǒng)增加許多平行路徑并降低接地電感（高頻考慮）。

結(jié)論

接地路徑電感會通過幾種不同的機(jī)制增加電路板噪聲。多層板讓我們擁有堅(jiān)固的接地層，可以顯著降低接地電感。然而，對于雙面板，我們必須求助于其他技術(shù)，例如接地網(wǎng)格，以實(shí)現(xiàn)低電感接地系統(tǒng)。一項(xiàng)研究表明，接地網(wǎng)可以將輻射降低約 7 dB，并將接地電壓差異降低一個數(shù)量級。