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如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

  • 发表时间:2021-06-18 16:10:30
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如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

在我们开始今天的文章之前,您需要记住一些事情。如果某个电流从某处流出,它将始终返回源头,无一例外。因此,始终存在一个电流回路、一个电流返回路径以及载流迹线。

因此,当前不关心您是否提供该返回路径。它会找到自己的。但是,如果您不这样做,它会在找到返回的路时干扰并弄乱您的整个电路。

什么是电流返回路径?

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

电子源和地。它也被称为返回电流,因为它可以追溯到源头。

电流的返回路径不过是返回源头时所遵循的路径。你还记得什么是电路吗?它是电子从电压或电流源流过的路径。电子的“源”是它们进入电路的点。电子离开电路的点称为“返回”或“接地”。由于电子在完成其电路路径时总是在源头处结束,因此我们称该退出点为“返回”。

为什么电流返回?

由于电荷和能量守恒原理,电流返回。假设电流没有返回源头。然后呢?电荷仍会在某个地方累积。在某个地方会收取超额 (+) 费用,而在其他地方会收取超额 (-) 费用。这种干扰会导致电位差,进而使电流倒流。你还记得基尔霍夫定律(第一定律)吗?

基尔霍夫电流定律指出,进入节点(或结点)的电流必须等于流出节点的电流。换句话说,进入和离开节点的所有电流的代数和必须为零,例如:

I(退出)+ I(进入)= 0

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

进入和离开节点的所有电流的代数和必须为零。

因此,进出电路中每个节点和组件的净电荷流量应该为零。这意味着无论电路是什么,电流都必须返回其源头。为了更好地理解,请阅读我们关于网络理论的文章,以获得更好的 PCB 设计和开发

如果电流在回路中流动并返回源头,您会期望电流流到线路的末端并沿着返回路径流回。但这整个过程需要多长时间?什么时候可以看到电流从返回路径出来?需要两秒钟吗?或者,一秒下降,一秒回来?假设在信号和返回导体之间有一种绝缘介电材料。除了远端,电流怎么可能从信号流到返回导体?

让我们从基本模型开始,即电流流过的线路,假设是一堆微型电容器。初始电流流入线路。当信号发射时,它会看到电容器。如果电容器两端的电压恒定,则电流不会流动。当信号进入传输线时,信号和返回路径上会产生电压。在此过渡时间内,随着边沿经过,电压发生变化,电流流过初始电容器。当信号发射时,它不知道你是如何计划它的整个行程的,也没有关系。电流的来回运动取决于直接环境和电压变化的线路区域,即信号边缘所在的区域。

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

传输线就像一堆电容器。

源电流流入导体并通过信号和返回路径之间的电容器,形成回路。当电压过渡沿通过线路传播时,电流环路也通过传输线传播。如果信号电压发生变化,我们可以扩展传输线模型以包括其余的信号和返回路径以及它们之间的所有分布式电容器。

任何扰乱电流回路的东西都会扰乱信号并使受控阻抗失真,从而危及信号完整性

故意路由当前返回路径!

许多人想象电路中的变化会立即发生,当您打开电路时,只需单击一下,灯光就会发光。因为状态的变化超出了人类的感知,所以比较容易产生误解。

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

电路状态随电位升高而变化。

但实际上,当“交流电”通过电路时,它会在其附近建立一个电场。然后这些场线将通过周围的导体传播,也可能转移到附近的电路。与此同时,您的电路面临状态变化,从而产生电势,因此电流通过电路。该电场在电流通过的导体周围产生电磁场。

电磁场的变化传播得非常快,但速度有限,而且场的变化需要一些时间才能到达电路的远端。因此,迹线的两端有可能处于两种不同的状态,并且有一个沿长度移动的过渡点。这将在附近的导体中产生不需要的电流。

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

电流、电场和磁场。

布线不当会导致电路中出现噪声,并会产生电磁兼容性、易感性等问题,并产生电磁干扰。因此,降低了整体电路性能。

为什么电流返回路径在 PCB 设计中很重要?

去年的电子设计还算体贴。有点糟糕的原理图和不太有效的布局仍然会产生一些有意义和功能性的电路板。但是现在,在使 PCB 和芯片更小的竞赛中,工作电压及其噪声容限正在降低。减少是为了让工程师现在需要在他们的设计选择中格外小心。

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

高速PCB已成为一种趋势。

不仅更小,而且 PCB 现在变得更快。现在,PCB 旨在以足够高的频率运行,以显着降低电路的性能。这些被称为高速PCB。其他因素包括材料、走线长度、电路板尺寸和环境。

虽然,传统上,50MHz 及以上是 PCB 布局可以被视为高速 PCB 设计的点高速 PCB 的有趣之处在于它们不遵循最小电阻路径;它们遵循阻抗最小的路径。如果没有适当的返回路径布局,您可能会发现电流在接地平面的裂口周围扩散,从而导致信号完整性的损失。

高速 PCB 和电流返回路径

无论您有多少经验,您都可能忘记阻抗可能看起来像电阻。但事实并非如此。它是考虑时间和频率依赖性的通用表达式。它是一个复数,具有虚部(电抗)和实部(电阻)。

因此,您可能倾向于忽略电路返回路径中阻抗的电抗部分,而只关注电阻。随着频率的增加和上升/下降时间的减少,阻抗的电抗部分在返回路径中变得更加重要。

在某些情况下,可以在导体下方找到电流的返回路径。因此,您应该在电路中建立不太理想的路径之前提供理想的路径。

现在让我们继续讨论如何完成高速 PCB电流回路布线。

假设您有一个双面板,顶部有一条走线,底部有一个全铜接地层。该板有两个过孔,将走线与接地层连接起来。到达所需点后,它通过到达地平面,并通过通孔再次到达其源头。

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

一个双面板,顶部有一条走线,一个实心地平面和两个过孔。

但这里的问题是如何?电流可以通过三个给定的路径返回:最简单的已知路径是追溯其流动,即直接路径。或者,它可以在顶部轨迹下方的最小面积环路中传播。否则,它可以结合这两种方式返回其源头。正如您现在已经知道的那样,电流通过最小阻抗路径返回源。

我们知道电阻的阻抗(Z)等于电阻的值(R),例如:

 Z = R

同样,电感中阻抗的大小为:

|Z| =ω.L

在频域中,我们可以将电感的阻抗表示为:

Z = j.ω.L

因此,使用集总参数电路理论,我们可以找到接地阻抗Zg。

Zg = Rg + jωLg

其中RgLg分别是接地路径电阻和电感。

对于低频,接地电流占用电阻最小的路径。它追溯至源的路径,即阻抗最低的路径。

对于高频,接地电流将遵循最小电感的路径。这直接位于迹线下方,因为它代表最小的环路区域。阅读我们关于高速信号在 PCB 中的影响的文章

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

通过最小电感路径的高频电流返回路径。

在低频 (1 – 100kHz) 下,返回电流主要流经电阻最小的直接路径。随着频率增加到 500 – 1000kHz,电流在电阻最小和电感最小的两条路径之间分流。在高频 (10 – 100MHz) 下,大部分返回电流通过电感最小的路径在顶部走线下方流动。

对于高频信号走线,使用差分对原因很简单:差分对既携带信号又携带相反相位的信号。因此,辐射被抵消,并且流动的电流为零。因此,它们可以对抗共模噪声或感应噪声。仔细和深思熟虑地规划接地回路可以防止在电路中不应该出现的部分形成不需要的电流。

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

PCB 中用于对抗感应噪声的差分对。

电流返回路径不连续 

到目前为止,我们讨论的都是实心地平面的情况。但也可能存在接地平面不连续的情况。在设计返回路径时,您还应该记住切口、槽或间隙孔的情况。假设地平面上有一个槽;你认为会出什么问题?

这是一种传统,即坚固且不间断的返回路径将具有更好的电磁能力。电流将沿着闭路回路流动,从而使合成电流为零。环路足够小/窄;微带通孔的返回路径正好在信号走线平面的下方。

但是返回路径中的不连续会引起噪声。用于通孔或过孔的切口、槽甚至间隙孔,所有这些都会导致返回路径的不连续性。它创建了更大的电流回路区域。这会增加环路电感。因此,电流会扩散并可能到达边缘,形成天线。间隙孔对电流的威胁较小。除非孔重叠,否则问题不大。阅读如何限制 PCB 传输线中的阻抗不连续性和信号反射。

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

由于平面上的槽,电流在返回过程中的扩散。

 

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

带有切口的地平面的电流返回路径。

 

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

带有通孔和通孔间隙孔的接地平面的电流返回路径。

 

影响信号电流或返回电流路径的一切都会影响信号的阻抗。因此,应该像设计信号路径一样仔细地设计返回路径。它是在 PCB、连接器还是 IC 封装上都没有关系。

混合信号板中的电流返回路径

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

混合信号板中的电流返回路径。

在混合信号板中,必须规划元件放置,以便模拟和数字信号不会相互交叉。有关模拟信号的返回路径,请参阅上图(左)。在这种情况下,我们看到电路板区域分为数字部分和模拟部分,并且这两个部分在中心的底部接地平面拼接中互连。两个平面仍会经历电容耦合,从而允许模拟和数字信号混合。最好的方法是拥有一个平面,如图(右)所示,并将数字和模拟组件分开放置。目的是防止数字信号在模拟区域下方传播并造成干扰。

走线几何形状和内部平面关键地决定了 PCB 布局中的电流返回路径。正确规划和精心设计的电流返回路径对于避免电路中出现不需要的电流至关重要。建议为通过电路的所有高速信号提供接地回路过孔和路径。一旦设计人员了解了信号的几何形状和特性,规划信号的返回路径就会变得更加容易。