兩層 PCB 的接地，沒你想象當(dāng)中的簡單

當(dāng)我還是一個年輕而饑餓的研究生時，我的第一個 PCB 地平面設(shè)計用于收集來自多個傳感器的模擬信號。在查看我測量的電壓圖時，噪聲水平非常可怕，完全掩蓋了我試圖測量的信號。我很快意識到我完全搞砸了地平面連接，地環(huán)路正在破壞我的信號。

放置接地層和接地布線是兩層或多層 PCB 中最重要的兩個設(shè)計指南。正確執(zhí)行此操作有助于降低對 EMI 的敏感性、抑制串?dāng)_并防止接地環(huán)路。這些噪聲源會降低信號完整性，而適當(dāng)?shù)碾娐钒褰拥仄矫嬖O(shè)計技術(shù)將確保您的設(shè)備發(fā)揮最佳性能。

如果您不熟悉 PCB 設(shè)計，您的第一個 PCB 可能是兩層板，因為從布局和信號完整性的角度來看，它們相對容易使用。您將擁有有限的空間，因為您不會通過內(nèi)部信號層路由信號。這是在確定是否包括接地平面以及將其放置在電路板上的位置時要考慮的第一點。大多數(shù) PCB 設(shè)計人員會發(fā)誓使用地平面，這當(dāng)然是處理高速/高頻信號時的最佳選擇。從 EMC 的角度來看，將接地層與 PCB 的信號層分離將提供一定程度的保護(hù)，防止來自外部源的輻射 EMI。

使用 2 層 PCB 接地平面也比僅布線接地跡線更可取。當(dāng)高速/高頻信號通過電纜在電路板之間布線時，將返回跡線與信號跡線相鄰布線是在多板設(shè)計中最小化 EMI 敏感性的一種策略。將接地回路盡可能靠近信號線放置，可使回路信號緊隨跡線，從而最大限度地降低環(huán)路電感和 EMI 敏感性。

幾乎每塊包含多個組件的電路板都沒有足夠的空間在所有信號走線旁邊布置返回走線。在兩層 PCB 的底層放置一個地平面提供相同的效果；將接地層放置在信號走線下方還可以減少信號看到的環(huán)路面積。理想情況下，信號走線應(yīng)盡可能靠近地平面，以抑制相鄰走線之間的串?dāng)_，這可能需要使用更薄的電路板。

在相關(guān)組件和信號走線下方放置接地平面還允許您通過過孔將接地回路直接從組件布線到接地平面。然后，返回信號將沿著阻抗最小的路徑返回到電源返回。這還允許您輕松地在關(guān)鍵組件的電源連接和接地層之間放置旁路/去耦電容器，從而允許電源連接中的任何高頻波動（例如，來自開關(guān)電源的傳導(dǎo) EMI）到達(dá)相關(guān)組件。

通過正確的布線和接地技術(shù)防止 EMI

可以在兩層 PCB 中使用的一種技術(shù)是網(wǎng)格化，而不是在整個底層放置一個連續(xù)的接地平面。電源和接地走線以差分方式布線，模擬一對電源線?？梢詳U(kuò)展每條接地跡線以盡可能多地填充空的 PCB 空間，并且所有剩余的空空間都可以用接地填充填充。這種技術(shù)將使您的 2 層板具有與四層 PBC 疊層相同的降噪水平。

另一種解決方案是在兩層上使用兩個垂直的網(wǎng)格圖案，網(wǎng)格可以在網(wǎng)格交叉的點與通孔連接。這可確保網(wǎng)格的所有部分保持幾乎相同的電位，并為兩層上的組件提供一些額外的空間。這種設(shè)計的一個潛在問題是單層網(wǎng)格之間的布線。在這種情況下，接地跡線可以在信號跡線旁邊布線，其中接地跡線通過過孔連接到相對層上的接地部分。

與許多設(shè)計選擇一樣，網(wǎng)格化代表了一種權(quán)衡：您可以在電路板上獲得更多的空間，并可以通過創(chuàng)造性的布線創(chuàng)建低電感電流環(huán)路，但會失去一些由連續(xù)接地層提供的 EMI 保護(hù)。網(wǎng)格化所需的過孔還充當(dāng)電感阻抗不連續(xù)性，從而導(dǎo)致高速信號的信號完整性問題。網(wǎng)格還可以在組件周圍形成導(dǎo)電回路，輻射EMI可以在該導(dǎo)體回路中感應(yīng)電流。更好的選擇是將組件放置在另一層接地網(wǎng)格上方的一層上。

總而言之，小心網(wǎng)格。某些設(shè)計指南將推薦在兩層板中使用網(wǎng)格作為在單層上使用連續(xù)接地平面的替代方案。對于低速/低頻信號或與機(jī)箱有足夠屏蔽的直流板，這可能沒問題。然而，在沒有屏蔽的高速/高頻情況下或具有顯著輻射 EMI 的環(huán)境中，犧牲電路板空間并在底層選擇連續(xù)地平面可能是更好的主意。

一些簡單的 2 層 PCB 接地平面設(shè)計可能仍需要在同一塊板上整合數(shù)字和模擬信號。最佳做法是將背面層的接地平面分成數(shù)字部分和模擬部分，但讓這兩個平面在靠近電源回路的地方連接。這可確保數(shù)字信號不會沿著敏感模擬組件下方的返回路徑傳播。

混合信號兩層 PCB 的地平面可以有一個分隔不同部分的凹口，盡管在凹口上布線會為地平面中的返回信號創(chuàng)建一個非常大的返回路徑，不建議這樣做。這些走線將產(chǎn)生強烈輻射，并且電路將具有較大的環(huán)路電感，從而導(dǎo)致對輻射 EMI 的敏感性更高。完全分開接地平面并嘗試使用鐵氧體磁珠之類的東西使各部分具有相同的電位是一個壞主意，因為這會產(chǎn)生比它解決的更多的 EMI 和噪聲問題。