高頻信號接地探討

一、前言

接地無疑是系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，實施起來卻很復雜，遺憾的是，它沒有一個簡明扼要可以用詳細步驟描述的方法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越來越大，接地問題也是日益突出。

二、高頻工作的接地

圖1所示的簡單電路采用兩層印刷電路板制造，頂層上有一個交直流電流源，其一端連到過孔1，另一端通過一條U形銅走線連到過孔2。兩個過孔均穿過電路板并連到接地層。理想情況下，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

這個簡單原理圖很難顯示出內在的微妙之處，但了解電流如何在接地層中從過孔1流到過孔2，將有助于我們看清實際問題所在，并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2所示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，而這要取決于電感。

圖3.磁力線和感性環路（右手法則）

電感與電流環路的面積成比例，二者之間的關系可以用圖3所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相互增強。環路之外，不同部分所產生的磁場相互削弱。因此，磁場原則上被限制在環路以內。環路越大則電感越大，這意味著：對于給定的電流水平，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U形表面引線和接地層所形成的環路，并忽略電阻，則高頻交流電流將沿著阻抗最.低，即所圍面積最小的路徑流動。

在圖中所示的例子中，面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中選取的路徑，它所圍成的面積最小，位于U形頂部走線正下方。實際應用中，接地層電阻會導致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導線正下方之間的某處。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。