工程界常常使用保護地線進行隔離,來抑制信號間的相互干擾。的確,保護地線有時能夠提高信號間的隔離度,但是保護地線并不是總是有效的,有時甚至反而會使干擾更加惡化。使用保護地線必須根據(jù)實際情況仔細分析,并認真處理。
保護地線是指在兩個信號線之間插入一根網(wǎng)絡(luò)為GND的走線,用于將兩個信號隔離開,地線兩端打GND過孔和GND平面相連,如圖所示。有時敏感信號的兩側(cè)都放置保護地線。
要想加入保護地線,首先必須把兩個信號線的間距拉開到足以容納一根保護地線的空間,由于拉開了信號線的間距,即使不插入保護地線,也會減小串擾。插入保護地線會有多大的作用?
低頻模擬信號包地
我們來看表層微帶線情況下串擾的大小。假設(shè)走線是50Ω阻抗控制的,線寬為6mil,介質(zhì)厚度為3.6mil,介電常數(shù)為4.5。并假設(shè)兩路信號都是載波頻率為30Mhz,帶寬為2Mhz的模擬信號。
下圖顯示了三種情況下的遠端串擾情況。當線間距為6mil時,由于兩條線緊密耦合,遠端串擾較大。把間距增加到18mil,遠端串擾明顯減小。進一步,在兩條線之間加入保護地線,地線兩端使用過孔連接到地面,遠端串擾進一步減小。
對于低頻模擬信號之間的隔離,保護地線的確很有用。這也是很多低頻板上經(jīng)常見到的“包地”的原因。但是,如果需要隔離的數(shù)字信號,情況會有所不同。我們分表層微帶線和內(nèi)層帶狀線兩種情況來討論保護地線對數(shù)字信號的隔離效果。以下討論我沒假定PCB走線都是50Ω阻抗控制的。
表層走線
仍然使用上面的表層走線疊層結(jié)構(gòu),線寬為6mil,介質(zhì)厚度為3.6mil,介電常數(shù)為4.5。攻擊信號為上升時間Tr=200ps的階躍波形。考慮以下三種情況下的近端串擾和遠端串擾的情況,如下圖所示,其中耦合段長度為2000mil。
Case1:兩條走線間距gap=1w(w=6mil表示線寬); Case2:兩條走線間距gap=3w,僅僅拉大道能夠放下一條保護線的間距,但不適用保護線; Case3:兩條線間距gap=3w,中間使用保護地線,并在兩端打GND過孔。
下圖顯示了三種情況下串擾波形,無論是近端串擾還是遠端串擾,走線間距從1w增加到3w時,串擾都明顯減小。在此基礎(chǔ)上,走線間插入保護地線,串擾如下圖中Case 3所示,相比Case 2,插入保護地線,不但沒有起到進一步減小串擾的作用,反而增大了串擾噪聲。
這個例子表明,拉開走線間距是最有效的減小串擾的方法。保護地線如果使用不當,可能反而會惡化串擾。因此,在使用保護地線時,需要根據(jù)實際情況仔細分析。保護地線要想起到應(yīng)有的隔離作用,需要再地線上添加很多GND過孔,過孔間距應(yīng)小于1/10λ,如圖所示。λ為信號中最高頻率成分對應(yīng)的波長。
內(nèi)層走線
對于內(nèi)層走線,如下圖所示:
介電常數(shù)為4.5,阻抗為50Ω。考慮到下圖三種情況。攻擊信號為上升時間Tr=200ps的階躍波形,入射信號幅度500mv,耦合長度為2000mil,近端串擾如圖所示,加入了保護地線,近端串擾從3.44mV進一步減小到了0.5mV。信號隔離度提高了16B。對于內(nèi)層走線,加入保護地線能夠獲得更大的隔離度。
對于表層走線來說,使用密集型的GND過孔,對提升隔離效果是有好處的。但是,對于內(nèi)層走線來說,使用密集型的GND過孔幾乎得不到額外的好處,下圖對比了GND過孔間距為2000mil(保護地線兩端打GND過孔)和GND過孔間距為400mil時的近端串擾情況,串擾量幾乎沒有變化。
間距增加到5w時情況如何?
當走線間距進一步加大,保護地線仍保持在6mil的線寬時,對于表層走線來說,保護地線的作用減小。在下圖中,兩條線間距拉到5w時,兩種情況下近端串擾和遠端串擾量和不使用保護地線情況相當,沒有明顯改善。因此,對于表層走線來說,走線間距很大時,中間再加入保護地線,幾乎沒有什么效果,如果處理不好反而會使串擾惡化。
對于內(nèi)層走線來說,保護地線仍然會起很大作用。如下圖,內(nèi)層間距為5W,兩種情況下近端串擾噪聲波形如圖。中間加入了保護地線,能明顯改善近端串擾。
結(jié) 論
1、保護地線對低頻模擬信號的隔離通常都是有效的。但是在數(shù)字信號之間的保護走線并不是那么有用,有時反而會使情況更惡化。
2、對于表層走線,如果保護地線的GDN孔間距很大,可能會使串擾更加嚴重,必須使用非常密集的GND孔才能起到隔離的效果。
3、對于內(nèi)層走線,保護地線可以減小近端串擾。
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原文標題:硬件工程師必看:包地與串擾
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