了解如何使用網格化接地技術降低雙面 PCB 中的噪聲。

多層板的接地平面可以顯著改善電路的噪聲性能。對于雙面板，我們通常不能有地平面，我們預計會有更多的噪聲和輻射。由于這個限制，我們更喜歡多層板，除非成本目標迫使我們使用兩層板。

即使我們沒有帶雙層板的地平面，仍然有一些技術可以用來提高電路性能。本文介紹了接地網格技術，它使我們能夠為雙面板實現高效的接地電路。

地平面如何降低電路板噪聲？為了更好地理解“接地網格”技術的操作，它會幫助您首先了解 PCB 中接地層的功能。如果需要，請在繼續之前查看我關于地平面如何降低電路板噪聲的文章。

什么是網格地平面？

接地網格由跨 PCB 的接地連接網絡創建。例如，如圖 1 所示，我們可以在電路板的底層有一些水平接地走線，在頂層有一些垂直接地走線。此外，在垂直和水平地線的交叉處有過孔。

圖 1. 圖片由 TI 提供。

上述技術如何創建低電感接地系統？圖 1 中的網格相當粗糙。更精細的接地網格如圖 2 所示（底部和頂部接地跡線未區分）。信號跡線將左上角門的輸出連接到右下角門的輸入。

圖 2.圖片由 EMC 和印刷電路板提供。

如您所見，電流環路可以通過接地電網提供的許多備選返回路徑閉合。盡管有許多并聯的返回路徑，但大部分電流將流過靠近信號走線的路徑，以限度地減少路徑電感。圖中顯示了可能表現出相對較小電感的返回路徑。

請注意，對于接地網格，您可能必須使用多個過孔在 PCB 上布線信號走線。這在圖 3 中顯示（在圖 2 的概念圖中未顯示）。

圖 3.圖片由電磁兼容性簡介提供。

因此，讓大部分頂層走線垂直走線，而讓大部分底層走線水平走線，這樣需要的過孔更少。

它有多有效？

檢查接地系統有效性的一種方法是測量板上各種 IC 之間的接地噪聲電壓。一項研究比較了使用接地網格的雙層板與采用單點接地的類似設計的 IC 接地引腳之間的電壓差。研究表明，接地網格可以將 IC 接地引腳之間的電壓差從 1000 mV 降低到 100 mV（這是各種 IC 組合之間的改進）。根據這項研究，當應用接地網格技術時，電路板輻射減少了大約 7 dB。有關此研究的更多詳細信息，請參閱Henry W. Ott 的《電磁兼容工程》 第 10.5.3 節。

要顯著降低接地電路電感，應使用 0.5 英寸或更小的接地網格間距。一般來說，隨著操作頻率的增加，我們可能需要使用更細的柵格來提供更多的并聯路徑并降低接地系統電感。接地網格技術與工作頻率高達 10 MHz 的電路兼容；高于此頻率應使用地平面。

接地網格技術的其他版本

不同的書籍和應用筆記建議了略有不同版本的接地網格技術。雖然圖 1 的接地網格僅依賴于接地跡線，但 Howard Johnson 和 Martin Graham 合著的《高速數字設計：黑魔法手冊》 建議使用圖 4 中所示的網格。

圖 4.圖片由 Howard Johnson 和 Martin Graham 提供，來自 高速數字設計：黑魔法手冊。

在這種情況下，頂層的垂直地線被電源線取代。水平構件接地。請注意，這些地線位于電路板底部并且是連續的；它們不會被頂層的電源線中斷。圖 4 的接地網格將起作用，因為 AC 返回電流可以沿接地跡線或電源跡線同樣良好地流回其源。由于該方案不能使用過孔，我們必須在垂直和水平走線的交叉點使用旁路電容。這些電容器應該是高質量的，以使電流容易流回其驅動柵極。

我們還可以在頂層和底層都有接地和電源走線。這在下面的圖 5 中顯示。

圖 5.圖片由 TI 提供。

這將占用更多的電路板空間，但我們預計它會表現出較低的電感，因為現在返回電流可以流過接地走線和電源走線。流經電源走線的返回電流部分將使用旁路電容器到達附近的接地走線，電流可通過該接地走線流回驅動柵極。

如果電路板空間限制不允許您使用寬走線，您可以使用窄走線實現網格。如圖 6 所示。

圖 6.圖片由電磁兼容工程提供。

寬走線可以提供較低的電阻，這對于低頻考慮很重要；然而，即使是很窄的走線也會為電網系統增加許多平行路徑并降低接地電感（高頻考慮）。

結論

接地路徑電感會通過幾種不同的機制增加電路板噪聲。多層板讓我們擁有堅固的接地層，可以顯著降低接地電感。然而，對于雙面板，我們必須求助于其他技術，例如接地網格，以實現低電感接地系統。一項研究表明，接地網可以將輻射降低約 7 dB，并將接地電壓差異降低一個數量級。