高頻信號接地探討（tǎo）

一、前言

接地無疑是係統設計中最（zuì）為棘手的問題之一。盡管它的概念相對（duì）比較簡單，實施起來卻很複雜（zá），遺憾的是，它沒有一個簡明扼要可以用詳（xiáng）細步驟描述的方法（fǎ）來保證取得良好效果，但如果在某些細節上處理不當，可能會導致令人頭痛的問題，特別是隨著電子產品的傳輸速度（dù）越來越大（dà），接地問題也是日益突出（chū）。

二（èr）、高頻工作的接地

圖1所示的簡單（dān）電（diàn）路采用兩層印（yìn）刷電路板製造，頂層上有一個（gè）交直流電流源，其一端連到過孔1，另一（yī）端（duān）通過一條U形銅走線連到過孔2。兩個過孔均穿過電（diàn）路板並連到接地層。理想情況下，頂端連接器（qì）以及過孔1和過孔2之間（jiān）的接地回路中的阻抗為零，電流源上的電壓為零。

圖1.電流源的原理圖和布局，PCB上布設U形走線，通過接地層返回

這個（gè）簡單原理圖很難顯示出內在的微妙之處，但（dàn）了解電流如何在接地層中（zhōng）從過孔1流到過孔2，將有助於我們看清（qīng）實（shí）際問題所在，並（bìng）找到消除高頻布局接地噪聲的方法。

圖2.圖1所示PCB的直流電流的流動

圖（tú）2所示（shì）的直流電流的流動方式，選取了接地層中從過孔1至過孔2的電阻最小的路徑。雖然會發生一些電流擴散，但基本（běn）上不會有電流實質性偏離這條（tiáo）路徑。相反，交流電流則選取阻抗（kàng）最小的（de）路徑，而這要取決（jué）於電感。

圖3.磁力線和感性環路（右手法則）

電感與電流環路的麵積成比例，二者之間（jiān）的關係可（kě）以用圖3所示的（de）右手法則和磁場來說（shuō）明。環路之內，沿著環路所有部分流動的電流所產生的磁場相互增強（qiáng）。環路之外，不同部（bù）分所產生的磁場相互削弱。因此，磁場原則上被限製在環路以（yǐ）內。環路越（yuè）大則電感越大，這（zhè）意味著：對於給定（dìng）的電（diàn）流水平，它儲存的磁能(Li2)更多，阻抗更高(XL = jωL)，因而將在給定（dìng）頻率產生更大電壓。

圖4.接地層中不含電阻（左圖）和含（hán）電阻（右圖）的交流電流路徑（jìng）

電流將在接地層中選取哪一條路徑呢？自（zì）然是阻抗最（zuì）.低的路徑。考慮U形表麵引線和（hé）接地層所形成的環路，並忽略（luè）電阻，則高頻交（jiāo）流電流將沿著阻抗最.低，即所圍麵積最小的路徑流動。

在圖中所（suǒ）示的例子中，麵積最小的環路顯然是由U形頂部走線與其正下方的接地層部分所形成（chéng）的環路。圖2顯示了直流電流路徑，圖4則顯示了大多數交流電流在接地層（céng）中選取的路徑，它所（suǒ）圍成的（de）麵積最小，位於U形頂部走線正下方。實（shí）際應用中，接地層電阻會導致低中頻電流流向（xiàng）直接返回路徑與頂部導線正下方之間的某處。不過，即使頻（pín）率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線的下方。