为了测试其中的一些说法,我设计了一块 1.6 mm 厚的电路板,上面有几对 15 mm 长的导线,导线之间有 2 mm 的间隙。无论是电容耦合还是电感耦合,长而平行且靠近的线路都是最糟糕的情况。每根导线的两端都有一个引脚,如果存在地平面,就在导线引脚旁边放置一个地引脚,以保持返回路径尽可能接近:
其中一对没有地平面,另一对只有底层的一个简单的地平面,其余的地平面各有不同:
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两个走线之间有分割的地平面。
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两个走线穿过分割的地平面的分割处。
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有地平面,走线跳转到底层。(一个平行,一个交叉)
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两层都有地平面
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两层都有地平面,导线旁有过孔。
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两层都有地平面,带有屏蔽线
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两层都有地平面,带有屏蔽线,且屏蔽线上和走线旁都有过孔。
我用 50 MHz 正弦波(10ns 上升/下降时间)进行了测试,这应该能代表典型的业余项目,但不适用于微波范围的测试(所使用的波长比走线大得多)。
电容耦合
实验目的:测量电容耦合
实验设备:
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函数发生器(Function generator):用于产生一个 5V 的 50MHz 正弦波信号。 - 示波器(Scope):用于测量和显示信号。
实验步骤:
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将函数发生器的输出连接到一根导线的一端。 -
将示波器的探头连接到另一条导线的另一端,用于测量信号。 -
在进行有地平面的测试时,移除了示波器探头的标准地线(ground lead),并使用一根短于2厘米的导线,将探头的地环(ground ring)连接到地平面上。 -
在没有地平面的测试中,直接将示波器的地夹(ground clip)夹到函数发生器的地线上。
配置 | 耦合电压峰峰值 |
无地平面,15cm示波器地线夹提供地 | 800 mV |
标准地平面 | 340 mV |
走线之间有分割的地平面 | 352 mV |
走线跨过分割的地平面 | 360 mV |
标准地平面,但有导线切割穿过地平面;且待测的信号线跨过切割的导线 | 351 mV |
标准地平面,但有导线切割穿过地平面;且待测的信号线平行靠近切割的导线 | 340 mV |
双面的地平面 | 294 mV |
双面的地平面+缝合孔(仅一侧) | 300 mV |
双面的地平面+屏蔽线 | 88 mV |
双面的地平面+屏蔽线+缝合孔 | 48 mV |
地平面对电容耦合的影响:
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即使在最糟糕的布局中,接地平面也能将电容耦合降低 2 倍以上。这意味着地平面提供了一个低电感和低电阻的电流返回路径,并且能够减少不同走线之间的串扰和耦合。 -
通常建议在电源、数字和模拟部分之间分割地平面,但这样做实际上增加了耦合。 -
在双面接地的情况下,走线只有在两侧都有缝合孔的情况下耦合才会有所改善;如果在两个走线之间放置一个接地的屏蔽走线,效果会更好(比没有地平面好16倍以上)。
地平面下的短走线的影响:
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在远小于波长的尺度上,地平面下的短走线影响相对较小。
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我测量了从一个交叉走线耦合到主走线的信号为153毫伏,这个值并不小,但并不像平行走线那样糟糕。
地平面上走线的对地电容:
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地平面上的走线对地有显著的电容,对于1毫米宽的走线大约是每厘米0.7皮法。这可能会给高阻抗信号带来麻烦,即使是相对较短的走线。
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随着板层数的增加,这种电容会变得更糟,尤其是当习惯于将地/电源平面放置在板的中间层时。
驱动阻抗对电容耦合的影响:
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驱动阻抗对于电容耦合非常重要。当受影响的走线通过 100Ω 电阻驱动而不是开路时,耦合信号降低到原始电压的约1/4。
对于电感耦合,我也使用了 50 MHz 正弦波,但将导线的另一端接地。我还添加了一个 10 欧姆的电流检测电阻(10mV = 1mA)来测量电流。
同样,这些测量值的精确度仅为 5%左右,因此无需在意单毫伏的差异。
配置 | 旁路电压峰峰值 | 耦合电压峰峰值 |
无地平面,15cm示波器地线夹提供地 | 8 mV | 62 mV |
标准地平面 | 12 mV | 26 mV |
走线之间有分割的地平面 | 11 mV | 28 mV |
走线跨过分割的地平面 | 10 mV | 29 mV |
标准地平面,但由导线切割穿过地平面;且待测的信号线跨过切割的导线 | 8 mV | 44 mV |
标准地平面,但由导线切割穿过地平面;且待测的信号线平行靠近切割的导线 | 9 mV | 28 mV |
双面的地平面 | 11 mV | 28 mV |
双面的地平面+缝合孔 | 9 mV | 22 mV |
双面的地平面+屏蔽线 | 10 mV | 33 mV |
双面的地平面+屏蔽线+缝合孔 | 10 mV | 7 mV |
这里的结果与电容耦合的结果类似,并不与电容耦合的结论相悖。虽然与电容耦合相比,电感耦合看起来微不足道,但它会对驱动阻抗很低(如测试中使用的 0 欧姆短路)的线路产生影响,而且这里使用的电流仅为毫安,而不是驱动 MOSFET 栅极等常用的几安培电流。
耦合到底重要吗?