Как земляной полигон уменьшает шумы на печатной плате
Как земляной полигон снижает уровень шума на печатной плате? Рассмотрим это далее в этой технической статье.
Почему при проектировании печатных плат следует использовать земляной полигон всегда, когда это возможно? Земляной полигон уменьшает индуктивность обратного пути сигнала. Это, в свою очередь, сводит к минимуму шум от переходных токов на землю.
В данной статье мы обсудим, как работает путь прохождения сигнала на многослойной печатной плате, и концепцию индуктивности обратного пути.
Сигнал выбирает путь наименьшего сопротивления
Рассмотрим двухслойную плату, показанную на рисунке 1. Нижний слой представляет собой полигон земли, а источник тока подключен к U-образной дорожке на верхнем слое. Дорожка на верхнем слое соединена с нижним слоем через переходные отверстия VIA1 и VIA2.
Сначала, как показано на рисунке 2, на дорожку верхнего слоя подается постоянный ток.
Ток идет по U-образной дорожке. Затем через переходное отверстие VIA1 он достигает полигона земли. Какая часть земляного полигона будет проводить ток обратно к переходному отверстию VIA2? Мы можем представить земляной полигон как бесконечное количество параллельных узких дорожек. Ток выберет дорожки, которые оказывают относительно меньшее сопротивление. Поскольку прямой путь от VIA1 до VIA2 является самым коротким и имеет наименьшее сопротивление, большая часть тока будет проходить через этот путь. По мере удаления от этого пути наименьшего сопротивления плотность тока будет быстро уменьшаться.
Теперь предположим, что на U-образную дорожку мы подаем переменный ток.
Будет ли он идти по тому же пути, что и постоянный ток?
Постоянный ток прошел путь наименьшего полного сопротивления (или наименьшего активного сопротивления). Для переменного тока полное сопротивление зависит как от активного сопротивления, так и от индуктивности пути. Хотя кратчайший путь предлагает наименьшее активное сопротивление, он не обязательно предлагает наименьшую индуктивность. Индуктивность пути зависит от площади контура, создаваемого потоком тока. На рисунке 3 показан пример токового контура, который создали сигнальная дорожка и обратный путь сигнала. Если площадь контура, создаваемого током, увеличивается, индуктивность будет увеличиваться пропорционально.
Например, красный обратный путь на рисунке 4 создает бо́льшую петлю, чем зеленый путь. Следовательно, из этих двух путей переменный ток пойдет через зеленый путь, который имеет меньшую индуктивность. Для полного сопротивления пути мы должны учитывать как активное сопротивление, так и индуктивность. Однако с увеличением частоты сигнала переменного тока вклад индуктивности в полное сопротивление пути в конечном итоге становится на несколько порядков больше, чем вклад активного сопротивления. Следовательно, как показано на рисунке 4, высокочастотный обратный ток будет течь непосредственно под U-образной дорожкой, чтобы минимизировать площадь контура (для простоты мы игнорируем активное сопротивление пути). По мере удаления от этого пути по слою земли плотность тока будет быстро уменьшаться.
В приведенном выше примере у нас есть слой земли, который можно представить как бесконечное число узких параллельных дорожек. Обратный ток протекает через те пути, которые минимизируют полное сопротивление. С двухслойной платой мы не можем позволить себе слой земли. В этом случае для обратного тока у нас может быть одна дорожка (а не полигон). Ток вынужден идти по этому пути, даже если он может проявлять значительную индуктивность. Для нескольких критически важных сигнальных дорожек двухслойной платы (например, для тактовых сигналов) мы можем развести подходящий обратный путь, но мы не можем сделать это для всех дорожек на плате. Как мы можем уменьшить индуктивность пути тока для всех дорожек на двухсторонней плате? Вскоре мы обсудим эффективную систему разводки земли для двухслойных плат, но перед этим давайте кратко рассмотрим механизмы, с помощью которых индуктивность земляного пути увеличивает шум на плате.
Почему важна индуктивность обратного пути?
Простая модель для индуктивности обратного пути может быть получена путем последовательного подключения индуктивности к земле на схеме. Пример показан на рисунке 5. Предположим, что выход логического элемента 1 переходит от высокого логического уровня к низкому логическому уровню. Это разрядит электрический заряд, накопленный в паразитной емкости Cпар, через путь через землю. Учитывая быстроту современных логических элементов, разряд будет происходить в течение короткого периода времени (∆t). Ток разряда будет протекать через индуктивность земли. Если ток через катушку индуктивности изменяется на ∆I во время логического перехода, на земле логических элементов будет выброс по напряжению \(V =L\frac {∆I}{∆t}\).
В этом случае на выходах логических элементов с низким логическим уровнем (логический элемент 2 на рисунке 5) будет наблюдаться импульс напряжения шума. Если он достаточно велик, это напряжение шума может привести к нежелательному переходу на выходе логического элемента 4.
Кроме того, как показано на рисунке 5, напряжение шума земли может быть подано на кабели, которые уходят с печатной платы. Действуя как антенна, эти кабели могут излучать помехи и вызывать проблемы с электромагнитной совместимостью.
На рисунке 5 показан еще один интересный механизм, с помощью которого индуктивность земли может вызывать проблемы. Когда выходной сигнал логического элемента 1 переходит от высокого логического уровня к низкому логическому уровню, транзисторы внутри логического элемента 1 соединяют паразитную емкость с индуктивностью, создаваемой земляным путем. Если транзистор, соединяющий Cпар с индуктивностью земли, имеет небольшое сопротивление, будет создан резонансный контур с высокой добротностью. Это может привести к переключениям логических элементов со значительным дребезгом. Если мы не можем в достаточной степени уменьшить индуктивность земли, нам может потребоваться добавить резистор (например, 51 Ом) последовательно с выходом логического элемента, чтобы ослабить этот дребезг.
Вышеупомянутые механизмы появления шума показывают, что индуктивность земли имеет первостепенное значение при проектировании печатной платы. Как обсуждалось ранее, многослойная плата позволяет нам иметь сплошные слои земли, которые могут значительно снизить индуктивность земли. Однако с двухсторонней платой нам приходится прибегать к другим методам реализации системы разводки земли для обеспечения низкой индуктивности.