高頻信號接地探討

一、前言

接地（dì）無疑（yí）是（shì）係統設計中最為棘手（shǒu）的問題（tí）之一。盡管它（tā）的概念相對比較簡單，實施起來卻（què）很複雜，遺（yí）憾的是，它沒有一（yī）個簡明扼要可以用詳細步驟描述的（de）方法來保證取（qǔ）得良好效果（guǒ），但（dàn）如果在某些細節（jiē）上處理不當，可能會導（dǎo）致令人頭痛的問題，特別（bié）是隨著電子產品的傳輸速度越來越大，接地問題也是日益突出。

二、高頻工（gōng）作的接地

圖1所示的簡單電路采用兩（liǎng）層印刷電路板製造，頂層上有（yǒu）一（yī）個交直流電流（liú）源，其（qí）一端連到過孔1，另一端通（tōng）過一條U形銅走（zǒu）線連到過孔2。兩個過孔（kǒng）均穿過電路板並連到接地層。理想情況下，頂端連接器以及過孔1和過（guò）孔2之間（jiān）的（de）接（jiē）地回路中的（de）阻抗為零，電流源上的電壓（yā）為零。

圖1.電流源的原理圖和布局，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（wēi）妙之處，但了（le）解電流如何在接（jiē）地層中從過孔1流（liú）到過孔2，將有助於我（wǒ）們看清實際問題所在，並找到消除高頻布局（jú）接地噪聲的方法。

圖2.圖（tú）1所示PCB的（de）直流電流的流動（dòng）

圖2所示的直流電流的流（liú）動方式，選取了接地（dì）層中從（cóng）過孔1至過孔2的電阻最小的路（lù）徑。雖然會（huì）發生一些電流擴散，但基本上不會有電流（liú）實質性偏離這條路徑。相反，交流電流則選取阻抗最小的路徑，而（ér）這要取決於電感。

圖3.磁力線和感性環路（lù）（右手法則）

電感與電流環路的（de）麵積成比例，二者之間的關係可以用圖3所示的右（yòu）手法則和磁場來說明。環路之內，沿著環路所有部（bù）分（fèn）流動的電流所產生的磁（cí）場相互增強。環路之（zhī）外，不同部分所產生的磁場（chǎng）相互削弱（ruò）。因此，磁場原則上被（bèi）限製在環路以內。環路越大則電感越大，這意味著（zhe）：對於給定的電（diàn）流水平，它儲存的磁能(Li2)更多，阻抗更高(XL = jωL)，因（yīn）而將在給（gěi）定頻率產生更大電壓。

圖4.接（jiē）地層中不含電阻（左圖）和含電阻（右圖）的交流電流路徑

電流將在接地層中選取哪（nǎ）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（de）環路，並忽略電阻，則高頻交流電流將沿著阻抗最（zuì）.低，即所（suǒ）圍（wéi）麵積最小的路徑流動。

在圖中所示的例子（zǐ）中，麵（miàn）積最小的環路顯然是由U形頂部走線與其正下方的（de）接地層部分所形成的環路。圖2顯示了直流電流（liú）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（dǐng）部走線正下方。實際應用中，接地層電阻會導（dǎo）致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導（dǎo）線正下（xià）方之間（jiān）的某處。不過，即使頻率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑也是接近頂（dǐng）部走線的下方。