PCB设计中为什么尽量用地平面?

2018-11-15 11:14:58 来源:电路设计技能
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前面3篇关于去耦电容的文章引起了很多硬件工程师的兴趣,这期的直播课程中讲述了“电源、地、去耦电容”,感觉很多网友对于在PCB设计中如何处理“地”一样是一头雾水,网上太多的经验贴其实都让人消化不良,我觉得有必要对PCB上对“地”的处理再补充说明一下。
 
用KiCad软件对“地”的处理
 
 
正好看到Allaboutcircuits网站上的一篇比较通俗易懂的相关文章,在这里借花献佛分享给大家。我一向主张硬件工程师应该尽快掌握专业英语的阅读,因此这篇文章我就原文贴在这里,我个人以要点汇总的方式做一下点评。
 
以下是作者的原文,蓝色的部分为我的摘要,有任何问题大家可以在PCB设计交流群里进行更深入的交流。
 
PCB Layout Tips and Tricks: Use a Ground Plane Whenever Possible
 
July 11, 2018 by Robert Keim
 
I don’t deny that it is possible to design a PCB without a ground plane, and in many cases you can create a fully functional board this way (or at least it will be fully functional when operating in a favorable environment). But ground planes are an easy way to improve performance and prevent problems, and in my opinion there are few situations in which it is a good idea to make ground connections using ordinary traces.
 
--作者认为PCB设计是可以没有“地平面”的,尤其是在一些比较宽松的环境下没有地平面,板子也能够很好地工作,但如果要提升性能、防止出现问题,地平面是比较简单的方式,在作者看来,只有很少的情况才会只是用普通的走线(Trace和Track都是板子上走线的意思)来进行“地”的连接。
 
Copper Is a Resistor
Schematic diagrams have wires, but in real life there are no wires (unless someone has started manufacturing PCBs using superconductors...). Physical interconnects, including PCB traces, are low-value resistors. The fact that we can often ignore this interconnect resistance doesn’t mean that it has no effect on the functionality of a circuit. On page 8 of this document published by Analog Devices, the author demonstrates that a 5 cm PCB trace can introduce over 1 LSb of error in the digitized values generated by a 16-bit ADC.
 
-- 我们原理图上的连线都是理想的信号连接(只是“线”),在实际的生活中是不存在的,任何物理连接,包括PCB上的走线,都是有比较低的阻抗的,在多数情况下我们可以忽略低阻抗产生的效应,但是在有些场合它们可能会对电路的功能产生显著的影响。ADI公司曾证明了5cm长的PCB走线可能会导致16位ADC的量化结果中引入超过1LSb的误差。
 
PCB上走线导致的电阻
 
In many cases there is not much we can do to mitigate the effects of resistance in a signal trace: tiny ICs and the desire for circuit miniaturization often lead to crowded layouts that don’t allow for wide traces or optimal component placement. We can, however, improve the overall situation by using a ground plane, which reduces the resistance of the return path.
 
-- 很多情况下我们无法减少这些走线电阻带来的影响,现在的板子越来越小型化,器件也越来越小,所以拥挤的板子上不允许较宽的走线以及非常充裕的空间让你摆放器件到最佳的位置,在这种情况下,“接地平面”就可以通过为信号回路提供非常低的阻抗来改善整体的性能。
 
This decreased return-path resistance is a fundamental benefit of incorporating a ground plane into your PCB. It reduces noise caused by variations in return current, and it establishes a more uniform ground voltage (because less resistance means less voltage being dropped between physically separated portions of the ground net). By dedicating an entire layer to ground and connecting everything to the plane using vias and through-holes, you are making your physical circuit more like the idealized circuit in the schematic diagram.
 
-- 在PCB设计中采用接地平面最大的好处就是能够降低回路阻抗,它降低了返回电流变化引起的噪声,在整个板子上也会有更均匀的接地电压(低阻抗意味着较低的压降),如果整个层用做“接地平面”,通过过孔(via)或通孔将相关的电源等连接到接地平面上,物理的电路工作起来就非常接近原理图了。
 
Simpler and Smaller
A ground plane improves the electrical characteristics of your circuit while also simplifying your layout task and in some cases reducing the size of your PCB. I’m not going to dwell on these aspects because I think that they’re more or less self-explanatory. The plane allows you to access the ground net anywhere you can squeeze in a via—and squeezing in a via is far easier than snaking a ground connection through a tangled assortment of traces, copper pours, and fine-pitch ICs.
 
-- 接地平面可以改善电路的性能,PCB布局布线工作也变得简单,并且有可能缩小PCB的尺寸,这些都是不言而喻的,在PCB上任何可以打一个过孔的地方都可以就地接入地平面,这要比你通过各种方式走线来实现到地的连接简单多了。
 
This improved routing may allow you to push the components closer together and thus decrease board size, though there is also the possibility that the board will end up larger if the ground plane causes you to lose one of two component layers (I’ll revisit this issue toward the end of the article). 
 
-- 布线方便、元器件可以靠得更紧凑、板子也可以做得更小。当然如果你专门留出一个层做为“地平面”,你会少一个能走线的层,也许会让你的板子变得更大。
 
Avoid Ground Loops
In my experience, the term “ground loop” can refer to any situation in which a system is affected by a difference in ground potential. A typical example is when two modules are connected by a long cable and the return current in the cable causes one module’s ground voltage to be significantly higher than the other module’s ground voltage. In this discussion, though, I’m referring specifically to a loop of ground connections; for example: 
 
-- 术语“地面回路”可以指系统受“地电位差”影响的任何情况。 一个典型的例子是当两个模块通过长电缆连接时,电缆中的返回电流导致一个模块的接地电压明显地高于另一个模块的接地电压。 在这里,作者指的是一个接地环路, 例如下图:
 
 
If you have to make numerous ground connections using individual PCB traces, it would not be difficult to create a loop like the one shown above. If you’ve read my article on mutual inductance, you know that this sort of conductive loop is a good receiver of magnetic interference.
 
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