需要考慮的接地結(jié)構(gòu)
(1) 共模噪聲少的接地
若要降低因電流驅(qū)動(dòng)模型導(dǎo)致的共模噪聲,降低接地阻抗是很重要的,這樣信號(hào)返回電流才能順暢流動(dòng)。需要特別注意有返回電流流經(jīng)包含高頻成分的信號(hào)(如時(shí)鐘信號(hào))的接地。本章節(jié)概述了會(huì)造成很多問題的一些接地結(jié)構(gòu)示例 [參考文獻(xiàn) 7]。
圖12(a)是低噪聲理想接地的示例。如圖所示在信號(hào)線下方搭建一個(gè)接地層允許信號(hào)返回電流在信號(hào)線下方返回,這樣能減少共模噪聲。接地層覆蓋整個(gè)IC,而不僅僅是信號(hào)線。
請注意圖中展示了接地層,但是在多層基板中,電源層和接地層以相同方式工作。在下面容易產(chǎn)生噪聲的例子中,也必須注意避免電源層采用此結(jié)構(gòu)。
(2) 容易產(chǎn)生共模噪聲的接地示例
圖12(b)到(d)為容易產(chǎn)生噪聲的接地結(jié)構(gòu)示例。必須注意避免使用這樣的結(jié)構(gòu)。
圖12(b)是接地線而不是接地層的情況。這種形態(tài)常見于非多層基板結(jié)構(gòu)中,但是會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的共模噪聲,如圖4的測試結(jié)果所示。
(3) 接地層有狹縫時(shí)
圖12(c)為接地層上有狹縫凹口時(shí)的情形。如果所圖所示多個(gè)狹縫在信號(hào)線下面重疊,將妨礙信號(hào)的返回電流,間隙的兩端都會(huì)產(chǎn)生電壓。盡管 乍看之下好像有接地層,但這種結(jié)構(gòu)忽略了接地層的作用。如果狹縫在信號(hào)線側(cè)相互連接,如圖13(a)所示,可以減少產(chǎn)生的噪聲。
在這種結(jié)構(gòu)下,當(dāng)有著較多噪聲的接地被分隔開時(shí),或者在電源層次上搭建了多個(gè)電源層時(shí),就容易產(chǎn)生噪聲。布置具有較多噪聲的信號(hào)線(如時(shí)鐘信號(hào)),確保狹縫不會(huì)重疊。[page]
(4) 穿過多個(gè)接地層時(shí)
圖12(d)展示了信號(hào)線通孔穿過多層的狀態(tài)。信號(hào)返回電流經(jīng)過離信號(hào)線最近的層面,但是如果有多層,返回電流可能無法順暢流動(dòng)。圖中顯示信號(hào)線穿過接地和電源層時(shí)的狀態(tài),但是在穿過兩個(gè)接地層時(shí)情況也相同。
當(dāng)信號(hào)穿過多層基板正反面時(shí),結(jié)構(gòu)如圖所示。若要抑制產(chǎn)生的噪聲,兩層(當(dāng)如圖所示其中一層為電源層時(shí),有一個(gè)去耦電容器)之間必須在靠近信號(hào)通孔的地方相互連接,如圖13(b)所示。
[page]當(dāng)線路突出屏蔽時(shí)
(1) 當(dāng)中心導(dǎo)體突出同軸電纜時(shí)
通過擴(kuò)展電壓驅(qū)動(dòng)模型,如果電壓施加到兩個(gè)長度不同的導(dǎo)體,始終會(huì)產(chǎn)生共模電流。
例如,即使是使用被視為理想傳輸線的同軸電纜,如果線芯如圖14一樣突出,外側(cè)導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)到共模電流,整個(gè)電纜會(huì)作為天線發(fā)射噪聲。這也可被視為一種電壓驅(qū)動(dòng)模型。
圖15給出了將20厘米同軸電纜連接到20MHz時(shí)鐘信號(hào)及在中心導(dǎo)體端部外露3厘米時(shí)測量噪聲的測試結(jié)果。這表明即使只外露了3厘米,也發(fā)出了很強(qiáng)的噪聲。
(2) 整個(gè)屏蔽變成噪聲的天線
圖15(b)表明噪聲發(fā)射的峰值出現(xiàn)在100到500MHz的較低頻率范圍內(nèi)。中心導(dǎo)體外露長度為3厘米,λ/4處的頻率為2.5GHz,因此表明這部分很難成為單極天線。
可以認(rèn)為500MHz或更低頻率主要是從更大尺寸的同軸電纜所發(fā)射的。如果認(rèn)為同軸電纜中感應(yīng)到了共模電流,如圖14所示,就更容易理解同軸電纜成為天線的機(jī)制。
即使如章節(jié)4-3-16中圖4-3-27所示短電纜從屏蔽罩突出,也可以將其視為與圖14中的結(jié)構(gòu)一樣進(jìn)行說明。但是,章節(jié)4-3-16中圖4-3-27的示例又有所不同,因?yàn)楣材k娏靼ㄔ谄帘握种卸皇菆D14的外側(cè)導(dǎo)體中。[page]
(3) 即使是小孔也會(huì)破壞屏蔽
本測試模擬了線路進(jìn)出電子設(shè)備的屏蔽罩時(shí)的狀態(tài)。如果線路如圖16(a)所示進(jìn)出屏蔽,即使線路只有幾厘米長,也會(huì)導(dǎo)致屏蔽感應(yīng)到共模噪聲。在這種布局下,穿過線路的孔只有幾毫米,屏蔽可能被破壞了。
為防止屏蔽罩感應(yīng)到共模噪聲,如圖16(b)所示在線路經(jīng)過屏蔽的地方安裝一個(gè)EMI靜噪濾波器,阻止噪聲進(jìn)出。
公共阻抗噪聲
(1) 公共阻抗導(dǎo)致的電路干擾
電路中多個(gè)電路共用電源和接地。盡管理想情況下電源和接地線路為零阻抗,事實(shí)上它們?nèi)杂兄浅P〉淖杩埂9沧杩乖肼?[參考文獻(xiàn) 2] 是指共用區(qū)域內(nèi)的阻抗導(dǎo)致電路的部分電流影響其他電路的情況。公共阻抗噪聲也是一種共模噪聲模型。這與上述電流驅(qū)動(dòng)模型不同,因?yàn)槠渲杏卸鄠€(gè)電路,考慮的不是電感而是阻抗,且包含除了接地之外的其它線路。
例如,在圖17中,從圖中左側(cè)供應(yīng)電源以運(yùn)行電路1和電路2。電路1和電路2共用電源與接地,且有著公共的阻抗Zp和Zg。
當(dāng)較大電流流經(jīng)電路1時(shí),由于公共阻抗導(dǎo)致的電壓下降,電源和接地電壓發(fā)生改變。因此電路2接地和連接到此接地的電纜會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。
在圖中,電路1被定義為噪聲源,但即使電路2正在運(yùn)行,也會(huì)在相同的效應(yīng)下產(chǎn)生公共阻抗噪聲。在這種情況下,噪聲從電路2傳輸?shù)诫娐?。
(2) 減少公共阻抗噪聲
如圖18所示,有多種方法可通過公共阻抗減少噪聲,包括:
(a)使用較粗的線,以減少共用區(qū)域內(nèi)的阻抗
(b)各電路使用獨(dú)立的電源和接地線路,以消除共用區(qū)域
(c)使用去耦電容器限制電路1電流
(a)與章節(jié)2所述的電流驅(qū)動(dòng)模型具有相同的噪聲抑制效果。
(3) 各電路使用獨(dú)立的電源和接地線路
(b)方法使用電源點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),且各電路連接獨(dú)立的接地和電源線路。其中沒有共用線路,消除了公共阻抗噪聲。
例如,當(dāng)需要控制較大電流的電路(如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路)與在較弱信號(hào)上運(yùn)行的電路結(jié)合時(shí),就需要使用獨(dú)立的電源和接地。[page]
(4) 單點(diǎn)接地
在方法(b)中,接地線從基準(zhǔn)點(diǎn)連接到各終端電路,被稱為單點(diǎn)接地(更準(zhǔn)確地說,這是因?yàn)椴⒙?lián)連接形成的單點(diǎn)接地)。這個(gè)設(shè)計(jì)原則用于具有相對較低頻率的模擬電路。
除了上述的減少共模阻抗噪聲之外,單點(diǎn)接地也可防止因終端電勢差異導(dǎo)致的不正確運(yùn)行。有關(guān)單點(diǎn)接地的詳細(xì)信息,請參考技術(shù)資料 [參考文獻(xiàn) 3,8,9]。
單點(diǎn)接地需要大量線路,這就意味著在制作如圖18(b)所示的PCB時(shí),由于空間的限制,線路寬度要減小。這會(huì)導(dǎo)致高頻范圍內(nèi)阻抗增加。另外,在 電路間傳輸信號(hào)時(shí)(例如從電路1傳輸?shù)诫娐?),接地的設(shè)計(jì),即信號(hào)返回路徑會(huì)很困難。為此,該方法并不常用于數(shù)字電路。
(5) 去耦電容器
圖18(c)展示了針對電源使用去耦電容器的方法。通過限制電路1和去耦電容器之間的高頻范圍電流,可以防止對電路2的干擾。
在電容器運(yùn)行的高頻范圍內(nèi),去耦電容器是一種有效的方法。若要提高有效頻率的下限,就需要增加電容器的靜電容量。
為減少數(shù)字電路中的共模阻抗噪聲,一般在通過增粗線路來降低接地阻抗后,使用一個(gè)去耦電容器,如圖18(a)所示。
連接具有不同平衡水平的傳輸線
(1) 平衡電路和不平衡電路
到現(xiàn)在為止,接地主要被描述為電壓基準(zhǔn)點(diǎn),但是在數(shù)字電路等不平衡電路中,接地也會(huì)作為信號(hào)電流的返回路徑。
一般而言,傳輸信號(hào)的傳輸線包括平衡電路和不平衡電路。這兩種電路的區(qū)別在于相對于接地分配電壓的方式,如圖19所示。
圖19展示了當(dāng)線路電壓為1V時(shí)接地電壓的分配方式。在(a)平衡電路中,每條線路的電壓為0.5V,但符號(hào)相反。相反,在(b)不平衡電路中, 外側(cè)導(dǎo)體電壓為0V,而中心導(dǎo)體的電壓為1V。如圖所示,不平衡電路的特征在于總電壓集中于中心導(dǎo)體,但外側(cè)導(dǎo)體電壓為0V。
[page](2) 連接具有不同平衡水平的電路
如圖20所示直接連接兩個(gè)電路,將平衡電路的一條線路連接到不平衡電路的接地,這意味著施加了一半的信號(hào)電壓。接地中產(chǎn)生了電壓并被轉(zhuǎn)換為共模噪聲 [參考文獻(xiàn) 5]。此時(shí),電路觸點(diǎn)從普通模式轉(zhuǎn)換為共模,反之亦然。這就是模式轉(zhuǎn)換 [參考文獻(xiàn) 1]。
圖21給出了三種情況下噪聲發(fā)射的測量結(jié)果: 當(dāng)20MHz時(shí)鐘信號(hào)(a)連接到同軸電纜,(b)連接到平衡電纜和(c)在中間從同軸電纜變換為平衡電纜時(shí)。在各種情況下,電纜的長度均為50厘米。如 圖所示,如果中間不變換電纜,噪聲發(fā)射的電平很低; 但如果變換了電纜,噪聲發(fā)射顯著增加。這是因?yàn)殡娎|觸點(diǎn)處的平衡發(fā)生了變化,這種情況會(huì)引起共模噪聲。
請注意,圖21中噪聲電平高于其它測試數(shù)據(jù),因此縱軸也相應(yīng)地改變了。
(3) 平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路
這樣連接平衡電路和不平衡電路時(shí),通常使用一個(gè)被稱為平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路的不平衡變壓器來防止模式轉(zhuǎn)換 [參考文獻(xiàn) 5]。圖22給出了一個(gè)轉(zhuǎn)化電路的示例。共模扼流線圈也可以大體上被視為平衡-不平衡轉(zhuǎn)化電路。也常使用電阻網(wǎng)絡(luò)或特定類型的諧振器。[page]
根據(jù)圖21(c)所示的測試,圖23給出了在電纜連接點(diǎn)使用共模扼流線圈的示例。通過使用共模扼流線圈,將噪聲發(fā)射抑制到約10到20dB的水平,以防止轉(zhuǎn)換為共模。
[page]意外的平衡-不平衡連接
(1) 意外的連接導(dǎo)致模式轉(zhuǎn)換
當(dāng)連接信號(hào)或已經(jīng)合理設(shè)計(jì)平衡的電纜(如同軸電纜或LAN電纜)時(shí),將它們連接在一起很正常,這樣才不會(huì)破壞平衡。但是,一般電路的結(jié)構(gòu)不會(huì)考慮平衡,而且很多連接中可能會(huì)意外發(fā)生模式轉(zhuǎn)換,如圖20(a)所示。圖24給出了常發(fā)生這種情況的一個(gè)示例。
(2) 扁平電纜或柔性板
如圖24所示帶接地層的印刷電路板或數(shù)字電路可以被視為相對而言完全不平衡的電路。將扁平電纜或柔性板連接到這樣的電路時(shí),如果電纜側(cè)有最小接地的結(jié)構(gòu),可能就不會(huì)完全不平衡。
在這種情況下,流經(jīng)電纜的部分普通模式信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換為共模,出現(xiàn)在電纜或電路板接地上并發(fā)射噪聲。
(3) 電源電纜或音頻電纜
在電源電纜、音頻電纜和其它類似電纜中,電源線和接地線的數(shù)量基本相同。在結(jié)構(gòu)上而言,這可以被視為平衡電路。當(dāng)如圖24所示連接到不平衡印刷電路板時(shí),連接區(qū)域可能會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。
一般而言,只有直流電流或低頻會(huì)流經(jīng)這些電纜,因此即使真的發(fā)生模式轉(zhuǎn)換,也不會(huì)有什么問題。但是,當(dāng)高頻范圍噪聲流經(jīng)這些電纜時(shí),可能會(huì)因模式轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生共模噪聲。例如,電源電纜發(fā)射開關(guān)電源的開關(guān)噪聲。
在連接了類似這些平衡電路的電纜區(qū)域,安裝一個(gè)適用于共模和普通模式的濾波器,無論是否發(fā)生模式轉(zhuǎn)換,都可以消除噪聲。
[page](4) 連接具有不同接地寬度的MSL
通過圖24中的扁平電纜或柔性板,無法建立足夠大的接地,導(dǎo)致既不是平衡也不是非平衡的劣質(zhì)傳輸線。印刷電路板也會(huì)遇到這種現(xiàn)象。
例如,如果使用MSL作為信號(hào)線,信號(hào)線下面的接地寬度較小,則不會(huì)形成像同軸電纜一樣完全不平衡的電路傳輸線。如果普通模式電流流經(jīng)這樣的線路,接地的電壓非常小。
當(dāng)如圖25所示連接具有不同接地寬度的MSL時(shí),左側(cè)和右側(cè)MSL接地的電壓不同,會(huì)在接地之間產(chǎn)生電壓。
若要抑制共模噪聲,必須限制接地寬度,確保左側(cè)和右側(cè)MSL的接地寬度不會(huì)改變。或者,使用EMI靜噪濾波器提前消除流經(jīng)信號(hào)線的噪聲。
可通過電流分配系數(shù)概念解釋限制接地寬度隱含的理論。