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硬件工程师必看：包地与串扰

发布时间：2021-03-03 责任编辑：lina

【导读】工程界常常使用保护地线进行隔离，来抑制信号间的相互干扰。的确，保护地线有时能够提高信号间的隔离度，但是?；さ叵卟⒉皇亲苁怯行У?，有时甚至反而会使干扰更加恶化。使用保护地线必须根据实际情况仔细分析，并认真处理。
    
工程界常常使用保护地线进行隔离，来抑制信号间的相互干扰。的确，?；さ叵哂惺蹦芄惶岣咝藕偶涞母衾攵?，但是?；さ叵卟⒉皇亲苁怯行У?，有时甚至反而会使干扰更加恶化。使用?；さ叵弑匦敫菔导是榭鲎邢阜治觯⑷险娲?。
 
保护地线是指在两个信号线之间插入一根网络为GND的走线，用于将两个信号隔离开，地线两端打GND过孔和GND平面相连，如图所示。有时敏感信号的两侧都放置保护地线。
 
硬件工程师必看：包地与串扰
 
要想加入?；さ叵撸紫缺匦氚蚜礁鲂藕畔叩募渚嗬阶阋匀菽梢桓；さ叵叩目占洌捎诶诵藕畔叩募渚?，即使不插入?；さ叵?，也会减小串扰。插入?；さ叵呋嵊卸啻蟮淖饔?？
 
低频模拟信号包地
 
我们来看表层微带线情况下串扰的大小。假设走线是50Ω阻抗控制的，线宽为6mil，介质厚度为3.6mil，介电常数为4.5。并假设两路信号都是载波频率为30Mhz，带宽为2Mhz的模拟信号。
 
下图显示了三种情况下的远端串扰情况。当线间距为6mil时，由于两条线紧密耦合，远端串扰较大。把间距增加到18mil，远端串扰明显减小。进一步，在两条线之间加入?；さ叵?，地线两端使用过孔连接到地面，远端串扰进一步减小。
 
硬件工程师必看：包地与串扰
 
对于低频模拟信号之间的隔离，?；さ叵叩娜泛苡杏谩Ｕ庖彩呛芏嗟推蛋迳暇＜降?ldquo;包地”的原因。但是，如果需要隔离的数字信号，情况会有所不同。我们分表层微带线和内层带状线两种情况来讨论?；さ叵叨允中藕诺母衾胄Ч?。以下讨论我没假定PCB走线都是50Ω阻抗控制的。
 
表层走线
 
仍然使用上面的表层走线叠层结构，线宽为6mil，介质厚度为3.6mil，介电常数为4.5。攻击信号为上升时间Tr=200ps的阶跃波形?？悸且韵氯智榭鱿碌慕舜藕驮抖舜诺那榭?，如下图所示，其中耦合段长度为2000mil。
 
Case1：两条走线间距gap=1w（w=6mil表示线宽）；
 
Case2：两条走线间距gap=3w，仅仅拉大道能够放下一条?；は叩募渚啵皇视帽；は撸?/div>
 
Case3：两条线间距gap=3w，中间使用保护地线，并在两端打GND过孔。
 
硬件工程师必看：包地与串扰
 
下图显示了三种情况下串扰波形，无论是近端串扰还是远端串扰，走线间距从1w增加到3w时，串扰都明显减小。在此基础上，走线间插入?；さ叵?，串扰如下图中Case 3所示，相比Case 2，插入?；さ叵撸坏挥衅鸬浇徊郊跣〈诺淖饔?，反而增大了串扰噪声。
 
硬件工程师必看：包地与串扰
 
这个例子表明，拉开走线间距是最有效的减小串扰的方法。?；さ叵呷绻褂貌坏保赡芊炊岫窕?。因此，在使用保护地线时，需要根据实际情况仔细分析。?；さ叵咭肫鸬接τ械母衾胱饔?，需要再地线上添加很多GND过孔，过孔间距应小于1/10λ，如图所示。λ为信号中最高频率成分对应的波长。
 
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内层走线
 
对于内层走线，如下图所示：
 
硬件工程师必看：包地与串扰
 
介电常数为4.5，阻抗为50Ω。考虑到下图三种情况。攻击信号为上升时间Tr=200ps的阶跃波形，入射信号幅度500mv，耦合长度为2000mil，近端串扰如图所示，加入了保护地线，近端串扰从3.44mV进一步减小到了0.5mV。信号隔离度提高了16B。对于内层走线，加入?；さ叵吣芄换竦酶蟮母衾攵?。
 
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对于表层走线来说，使用密集型的GND过孔，对提升隔离效果是有好处的。但是，对于内层走线来说，使用密集型的GND过孔几乎得不到额外的好处，下图对比了GND过孔间距为2000mil（保护地线两端打GND过孔）和GND过孔间距为400mil时的近端串扰情况，串扰量几乎没有变化。
 
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间距增加到5w时情况如何？
 
硬件工程师必看：包地与串扰
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当走线间距进一步加大，?；さ叵呷员３衷?mil的线宽时，对于表层走线来说，?；さ叵叩淖饔眉跣?。在下图中，两条线间距拉到5w时，两种情况下近端串扰和远端串扰量和不使用保护地线情况相当，没有明显改善。因此，对于表层走线来说，走线间距很大时，中间再加入?；さ叵?，几乎没有什么效果，如果处理不好反而会使串扰恶化。
 
对于内层走线来说，保护地线仍然会起很大作用。如下图，内层间距为5W，两种情况下近端串扰噪声波形如图。中间加入了?；さ叵?，能明显改善近端串扰。
 
硬件工程师必看：包地与串扰
 
结论
 
1）?；さ叵叨缘推的Ｄ庑藕诺母衾胪ǔ６际怯行У摹５窃谑中藕胖涞谋；ぷ呦卟⒉皇悄敲从杏?，有时反而会使情况更恶化。
 
2）对于表层走线，如果?；さ叵叩腉DN孔间距很大，可能会使串扰更加严重，必须使用非常密集的GND孔才能起到隔离的效果。
 
3）对于内层走线，?；さ叵呖梢约跣〗舜拧?/div>
（来源：CSDN，作者：硬件工程师炼成之路）
 
 
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