立博英国官网,立博app下载,立博app登录


如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

<h1>如何处理电流返回路径以改善信号完整性</ h1>发布缩略图

在我们开始今天的文章之前,您需要先记住一些东西。 如果某个地方有电流流出,它将总是回到源头,无一例外。 因此,总会有电流回路,电流返回路径以及载流迹线。 因此,当前并不十分在乎是否提供返回路径,它将找到自己的返回路径。 但是,如果您不这样做,它将干扰并弄乱您的整个电路,同时找到自己的回程。

什么是电流返回路径,为什么电流返回?

电流的返回路径不过是电流返回到源极所需的路径。 您还记得什么是电路吗? 这是电子从电压或电流源流过的路径。 电子的“源”是这些电子进入电路的点。 电子离开电路的点称为“返回”或“接地”。 由于电子在完成电路路径时始终会在源头处终止,因此我们将出口点称为“返回”。

电子源和地。它也称为Return,因为它可以追溯到源。

电子源和地面。 它也称为return,因为它可以追溯到源。

“为什么”的答案很简单:电荷守恒以及能量守恒的结果。 假设电流不返回源头。 那呢 费用仍会在某个地方累积。 一个地方会有(+)电荷过量,而其他地方则有(-)电荷过量。 这种干扰会引起电势差,进而使电流想要倒流。 还记得基尔霍夫定律(第一定律)吗?

基尔霍夫(Kirchhoff)的现行法律规定,流入节点(或结点)的电流必须等于流出节点(或结点)的电流。 换句话说,进入和离开节点的所有电流的代数和必须等于零,例如:

I(退出)+ I(进入)= 0

基尔霍夫电流法

基尔霍夫现行法律

因此,如果电路中每个组件进出每个节点的净电荷净流量为零,则意味着无论电路是什么,电流都必须返回其源。

如果电流循环流动并返回到源极,则您希望电流流向线路的末端并沿返回路径向下流动。 但是,整个过程需要多长时间? 什么时候可以看到电流从返回路径出来? 需要2秒吗? 1秒下来1秒回来吗? 如果信号和返回导体之间存在绝缘介电材料,那么除了远端以外,电流怎么可能从信号流到返回导体?

让我们从基本模型开始思考,即电流流过的线,让它成为一堆微型电容器。 初始电流流入线路,随着信号的发射,它会看到电容器。 如果电容器两端的电压恒定,则电流不会流过。 当信号进入传输线时 ,信号和返回路径之间会形成电压。 在此过渡时间内,随着边沿的经过,电压发生变化,电流流过初始电容器。 发出信号时,它不知道您如何计划其整个行程,这并不重要。 电流的来回运动绝对取决于当前环境和电压变化的线路区域(即信号沿的位置)。

信号电流及其返回路径。另外,传输线也要像一堆电容器。

信号电流及其返回路径。 另外,传输线要像一堆电容器。

源电流流入导体,并且通过位移电流流经信号与返回路径之间的电容,并流出返回路径。 这是循环。 随着电压跃迁沿线传播,电流环路也通过传输线传播。 我们可以扩展传输线模型,以包括其余的信号和返回路径以及它们之间的所有各种分布式电容器。 鉴于信号电压正在变化。

任何破坏电流环路的事物都会破坏信号并导致阻抗失真,从而损害信号完整性

故意路由返回路径!

许多人认为,当您打开电路时,电路的变化会立即发生,而单击时指示灯就会发光。 容易产生误解,因为状态的变化超出了人类的感知。

简单而复杂的过渡。

简单而复杂的过渡。

但是实际上,当“交流电”通过电路时,在这些区域中会建立电场。 这些场线然后将散布在周围的导体中,并可能也转移到附近的电路中。 随之而来的是,您的电路面临状态变化,状态变化又会引起电势,因此电流会流过电路。 该电场在电流流过的导体周围产生电磁场。 电磁场的变化非常快但以有限的速度传播,并且磁场的变化需要花费一些时间才能到达电路的远端。 因此,迹线的两端可能处于两个不同的状态,且过渡点沿长度方向移动。 这将在附近的导体中产生不必要的电流。

电流,电场和磁场。

电流,电场和磁场。

不良的布线不仅会导致电路中的噪声,进而会引起电磁兼容性 ,磁化率问题并产生电磁干扰。 因此,降低了整体电路性能。

为什么电流返回路径在PCB设计中至关重要?

去年的电子设计有点体贴。 某些较差的原理图和不太有效的布局仍会产生一些有意义的功能板。 但是现在,在争夺PCB和芯片更小的竞争中,工作电压及其噪声容限正在降低。 减少的方式使得工程师现在需要特别注意他们的设计选择。

高速PCB。

高速PCB已成为一种趋势。

现在不仅尺寸更小,而且PCB越来越快。 现在,PCB的工作频率应足以显着降低电路性能。 这些被称为高速PCB。 其他因素包括:材料,走线的长度以及电路板的尺寸以及环境。 不过,从传统上讲,50 MHz及更高频率是可以将PCB布局视为高速PCB设计的关键点 。 高速PCB的另一个有趣的方面是,它们没有遵循最小电阻的路径。 它们遵循最小阻抗的路径。 如果没有正确的返回路径布局,您可能会发现电流散布在接地平面中的裂口周围,从而导致信号完整性损失。

高速PCB和电流返回路径

无论您有多少经验,您都可以忘记阻抗看起来像电阻的事实。 但事实并非如此。 它是一个通用表达式,说明了时间和频率依赖性。 它是一个具有虚部(电抗)和实部(电阻)的复数。

因此,您可能倾向于忽略电路回路中阻抗的电抗部分,而将注意力集中在电阻上。 随着频率的增加以及上升/下降时间的减少 ,阻抗的电抗部分在返回路径中变得更加重要。

在某些情况下,电流的返回路径会在导体的正下方流动。 因此,在电路中建立不太理想的路径之前,应提供理想的路径。

现在,让我们继续进行高速PCB电流返回路由。

假设您有一个双面板,顶部有一条走线,底部有一个完整的铜接地层。 板上有两个过孔,将走线与接地层相连。 到达所需点后,它通过通到达接地层,并在其源头终止。

双面电路板,顶部有一条走线,并有一个坚固的接地平面和两个过孔

一块双面电路板,顶部有一条走线,一个实心接地层以及两个过孔。

但是这里的问题是如何? 电流可以在三个给定路径中返回:最简单的已知路径是追溯其流动方式,即直接路径。 或者,它可以循环传播,即面积最小的循环。 它在顶部轨迹下方。 否则,它可以将两种方法结合起来以返回其源头。

如您现在所知,电流通过最小阻抗路径返回到电源。

当前流路。

当前的流路。

我们知道电阻器的阻抗(Z)等于电阻器(R)的值,例如:

Z = R

同样,电感器中的阻抗大小为:

| Z | =ω.L

在频域中,我们可以将电感器的阻抗表示为:

Z =j.ω.L

因此,使用集总参数电路理论阻抗,我们可以找到接地阻抗Zg。

Zg = Rg +jωLg

其中RgLg分别是接地路径的电阻和电感。

对于低频,接地电流占据的电阻最小。 它追溯到源的路径。 在这里,这也是最低阻抗的路径。

通过最小电阻实现低频的电流返回路径。

低频通过最小电阻的电流返回路径。

对于高频,接地电流将遵循电感最小的路径。 它位于轨迹的正下方,因为它表示最小的环路面积。

高电流通过最小电感的电流返回路径。

通过最小电感的高频电流返回路径。

在低频(1 – 100 kHz)下,返回电流主要流经电阻最小的直接路径。 当频率增加到500 – 1,000 kHz时,电流在电阻最小和电感最小的两条路径之间分配。 在高频(10 – 100 MHz)下,大部分返回电流通过最小电感的路径在顶部走线下方流动。

对于高频信号走线,使用差分对 。 原因很简单:差分对既承载信号又承载信号的相反相位。 因此,辐射被抵消,并且流过的电流为零。 因此,它们可以抵抗共模噪声或感应噪声。 精心设计的接地回路路径可以防止在电路中不应有的部分形成不必要的电流。

PCB中的一对差分对可产生噪声。

PCB中的一对差分对可消除噪声。

理想的电流返回路径Vs。共模噪声的情况。

理想的电流返回路径与共模噪声的情况。

返回路径不连续性

到现在为止,我们讨论的都是坚固接地平面的情况。 但是在某些情况下,接地平面会不连续。 在设计返回路径时,还应牢记切口,狭缝或可能存在通孔的情况。 假设地面上有一个插槽,您认为会发生什么错误?

这是一种常规做法,即牢固且不中断的返回路径将具有更好的电磁性能。 电流将沿着闭路回路流动,因此使合成电流为零。 循环足够小/很窄; 同样,过孔微带的返回路径恰好在信号走线的平面下方。

但是返回路径的不连续会产生噪音。 通孔或过孔的切口,狭缝或什至通孔,所有这些都会导致返回路径不连续。 它创建了更大的电流环路面积。 这导致环路电感增加。 因此,电流将散布开来,并且也可能到达形成天线的边缘。 通孔对电流的威胁较小。 除非孔重叠,否则问题就不多了。

由于平面中的狭缝,返回期间的电流分布。

由于平面中的狭缝,返回期间的电流分布。

带切口的地平面的电流返回路径。

具有切口的接地层的电流返回路径。

带有通孔和通孔的通孔的接地层的电流返回路径。

带有通孔和通孔的通孔的接地层的电流返回路径。

任何影响信号电流或返回电流路径的因素都会影响信号的阻抗。 因此,无论是在PCB,连接器还是IC封装上,返回路径的设计都应与信号路径一样仔细。

设计协助

关于“

如何处理电流返回路径以获得更好的信号完整性

  1. 这些信息是无价的。 我什么时候可以找到更多?

  2. Vishrut 说:

    您能否以pdf格式共享此信息? 那将不胜感激..非常感谢

发表评论取消回复

您的电子邮件地址不会被公开。