高（gāo）頻（pín）信號接地探討

一、前言

接地（dì）無疑（yí）是係統設計中最為棘手的問題之一。盡管它的概念相對比較簡單，實施起來卻很複雜，遺憾（hàn）的是，它沒有一個簡明扼要可以（yǐ）用詳細步驟描述（shù）的方法來保（bǎo）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（zhì）令人頭痛的問題，特別是隨（suí）著電子產品的傳輸速度越來越大，接地問題也是日益突出（chū）。

二（èr）、高頻工作（zuò）的接（jiē）地

圖1所示的簡單電路采用兩層印刷電路板（bǎn）製造（zào），頂層上有一個交直（zhí）流電流源，其一（yī）端連到過孔1，另一端通過一條U形銅走線連到過孔（kǒng）2。兩（liǎng）個過孔均穿過電路板並連到接地層。理（lǐ）想情況下，頂端連接器以及過孔1和過孔2之間的接地回路（lù）中的阻抗為零，電流源上的電壓為零。

圖（tú）1.電流源的原理圖和布局，PCB上布設U形（xíng）走線，通過接地層返回

這個簡單（dān）原理圖很難顯示（shì）出內在的微妙之處，但了解電（diàn）流如何在接地層中從過（guò）孔1流到過孔（kǒng）2，將有助於（yú）我們看清實際問題所在，並找到消除高（gāo）頻布局接地噪聲的方法。

圖2.圖1所示PCB的直流電流（liú）的流動

圖2所示的直流電流的流（liú）動方式（shì），選取（qǔ）了接地層中從過孔1至（zhì）過孔2的電阻最小的路徑。雖然會發生一些電流擴散，但基（jī）本上不會有電流實質性偏離這條路徑。相反，交流電流則選取阻抗最小的路徑，而這要（yào）取決於電感。

圖3.磁力線和感性（xìng）環（huán）路（右手法則）

電感與電流環路的麵積成比例，二者之間的關係可以用圖3所（suǒ）示的右手法則和磁場來說明。環路之內，沿著環路所有部分流動的電流所產生的磁場（chǎng）相（xiàng）互增強。環路之外，不同部分所產生的磁場相互削弱。因此，磁場（chǎng）原則上被限製在環路以內。環路越大則電感越大，這意味著：對（duì）於給（gěi）定的電流水平，它儲存的磁能(Li2)更多，阻抗更高(XL = jωL)，因而將在給定頻率產生更大電壓。

圖4.接地層中（zhōng）不含電阻（左圖）和含電阻（右圖）的交流電流路徑

電流將在接地層中選取哪一條路徑呢？自然是阻抗最.低的路徑。考慮（lǜ）U形表（biǎo）麵引線和接地層所形成的環路，並忽（hū）略電阻，則（zé）高頻交流電流將沿著阻抗最.低，即所圍麵積最小的路徑流動。

在圖中所示的例（lì）子中，麵積最（zuì）小（xiǎo）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的環路（lù）。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中選取（qǔ）的路徑，它所圍成的麵（miàn）積最小（xiǎo），位於U形頂（dǐng）部走線正下方。實際應用中，接地層電阻會導（dǎo）致低（dī）中頻電流流（liú）向直接返回路（lù）徑與頂部導線正（zhèng）下方之間的某處。不過，即使頻率低至1 MHz或2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線的下方。